DÉCOUVERTE GÉOLOGIQUE DES VOSGES
Marc Deschamps
Maître de Conférences honoraire de l'Université de Lorraine
Le massif vosgien et le fossé rhénan sont les témoins privilégiés de l'histoire géologique de l'est de la France. L'enregistrement géologique y est presque continu du Paléozoïque inférieur au Quaternaire. Cette région offre de plus la possibilité d'étudier des processus géologiques très divers: orogenèse, magmatisme, métamorphisme, sédimentation, volcanisme, rifting .... Notre excursion tentera de présenter les grandes lignes de la géologie de cette belle région.
I- Grands traits de la géologie de l'Est de la France:
D'ouest en est, on distingue les grandes unités morpho-structurales suivantes:
L'ensemble de la structure géologique de l'Est de la France est conditionnée par ce fossé qui appartient à un système complexe de rifts qui se relaient de la Méditerranée à la Mer du Nord et au niveau duquel la croûte continentale est fortement étirée et amincie (à hauteur de Colmar, le Moho n'est qu'à 24 km de profondeur). L'effondrement du fossé rhénan est accompagné par la remontée de ses bordures
II- Les Vosges, jalon de la chaîne hercynienne:
Le massif vosgien appartient à la chaîne varisque - ou chaîne hercynienne - qui, de la Bohème à la péninsule ibérique, traverse l'Europe entière.
Si l'on tient compte de la configuration des continents durant l'ère primaire - c'est à dire avant le début de l'ouverture de l'Atlantique - il faut aussi rattacher à cette chaîne des ensembles tels que les Mauritanides (Afrique de l'Ouest) ou les Appalaches (Amérique du Nord). Globalement la chaîne ainsi formée avait une longueur de l'ordre de 8000 km pour une largeur de près de 1000 km (Matte, 1991) c'est à dire que son ampleur fut comparable à celle de l'ensemble des chaînes issues de la Téthys à la fin des ères secondaire et tertiaire. (fig.4)
La chaîne hercynienne s'est édifiée du Siluro-dévonien au Carbonifère (400 à 280 Ma). Elle fut longtemps considérée comme le modèle d'une chaîne plissée intracontinentale, sans doute en raison de la difficulté d'identification des paléosutures océaniques dans des chaînes anciennes, intensément déformées, métamorphisées, profondément érodées puis en partie recouvertes par des sédiments plus jeunes. Selon les études récentes (Franke, 1989; Matte, 1991, par exemple ) il s'agit en fait d'une chaîne de collision qui résulte de la convergence de deux masses continentales principales ("Laurentia-Baltica" = Europe et Amérique du Nord d'une part, Gondwana = Afrique + Amérique du Sud, d'autre part). Ces continents étaient initialement séparés par un ou, plus vraisemblablement, plusieurs domaines océaniques.
N.B. Dans les Alpes, les massifs cristallins externes et internes appartiennent aussi à cet orogène.
III- Géologie des Vosges cristallines
Les Vosges constituent la bordure orientale du Bassin Parisien. Ce massif, aux reliefs dissymétriques, plus abrupts sur le versant alsacien que sur le versant lorrain, est classiquement divisé en "Vosges cristallines" et "Vosges gréseuses":
- Les "Vosges cristallines" représentent l'affleurement du socle cristallin, métamorphique et granitique, structuré par l'orogenèse hercynienne à l'ère primaire. Elles constituent les parties les plus élevées du massif, culminant au Ballon de Guebwiller.
- Les "Vosges gréseuses" montrent des reliefs également élevés, souvent tabulaires, constitués par les sédiments qui ont recouvert le socle cristallin après l'érosion de la chaîne dès la fin de l'ère primaire (Permien) et au début de l'ère secondaire (Trias).
Les formations cristallines constituent l'ossature du massif. Elles affleurent de manière continue sur environ 120 km du Nord au Sud entre le massif du Champ du Feu et les collines du Belfortais et sur à 50km d'Est en Ouest de la bordure du Fossé rhénan à la région d'Epinal. Elles réapparaissent sporadiquement au fond des vallées jusque dans les environs de Vittel.
Malgré leur extension géographique modeste, les Vosges cristallines montrent une remarquable diversité géologique. Les granites y occupent une place de choix et sont très variés dans leurs compositions et leurs structures. Ils ne doivent pas masquer la très grande diversité des roches métamorphiques, qui évoluent depuis des roches à peine transformées jusqu'à des faciès représentatifs de la croûte profonde. Les roches volcaniques enfin jalonnent toutes les phases de l'histoire du massif.
Trois entités majeures sont reconnues dans les Vosges cristallines :
- Les Vosges septentrionales qui appartiennent à la "zone Saxo-thuringienne" de la chaîne hercynienne.
- Les Vosges moyennes et les Vosges du Sud qui appartiennent à la "zone moldanubienne".
Les Vosges septentrionales sont séparées du reste du massif par la "zone broyée de Lalaye-Lubine" (du nom de deux villages qui jalonnent cet accident) qui représente un accident tectonique de très grande ampleur qui affecte l'Europe entière. Le passage des Vosges moyennes aux Vosges du Sud est en revanche progressif.
La zone broyée de Lalaye-Lubine est donc la discontinuité la plus importante du massif. Les régions qu'elle sépare semblent avoir connu une histoire radicalement différente jusqu'à leur juxtaposition tectonique à la fin de l'époque hercynienne. Leur histoire est ensuite commune.
Figure 1 : Carte géologique schématique du Massif
Cette partie des Vosges se caractérise par l'affleurement de séries métasédimentaires et volcaniques à peine métamorphiques et par un volumineux plutonisme dont la pièce maîtresse est le massif du Champ du Feu.
1- Les séries métasédimentaires sont représentées, par les schistes de Villé et de Steige qui constituent deux séries définies sur le versant alsacien mais qui se prolongent aussi sur le versant lorrain. Toutes deux sont essentiellement pélitiques et faiblement métamorphiques. La série de Villé, avec un âge de l'ordre de 600Ma est la plus ancienne série datée dans les Vosges. Un peu plus jeune, la série de Steige est datée du Silurien grâce à des fossiles de chitinozoaires qui implique aussi son dépôt en milieu marin. Cette série est surtout connue pour le métamorphisme thermique qui l'affecte au contact des granites du Champ du Feu: un processus qui fut étudié par H. Rosenbusch en 1877 dans le Val d'Andlau et qui constitue une référence mondiale (premier exemple décrit dans le monde).
2- Les séries volcaniques et sédimentaires sont représentées par un ensemble attribué au "Dévono-Dinantien" (Dévonien supérieur et Carbonifère inférieur) qui couvre d'importantes surfaces dans les massifs de la Bruche (versant alsacien) et du Rabodeau (versant lorrain). La "bande volcanique médiane" du Champ du Feu y est aussi rattachée.
La sédimentation est caractérisée par des formations détritiques immatures dont l'épaisseur dépasse 600mètres (conglomérats, grauwackes, arkoses, schistes avec quelques intercalations carbonatées). Des horizons fossilifères permettent de dater ces formations du Givétien au Viséen et de caractériser un milieu d'abord marin dans lequel les influences continentales s'accroissent dans le temps pour s'affirmer au Viséen.
Le volcanisme est puissant et diversifié. Il est représenté par des coulées, brèches et tufs dont les compositions sont basaltiques à rhyolitiques. Les études récentes ont permis d'y reconnaître la succession de séries tholéiitiques puis calco-alcalines qui évoquent l'influence possible de processus de subduction dans la genèse des magmas.
La composition des plutonites varie depuis des gabbros et diorites jusqu'à de vrais granites, par l'intermédiaire de granodiorites qui constituent le faciès dominant. Les diorites constituent le trait le plus original de ce massif: Elles existent sous deux formes:
- diorites massives, largement grenues souvent hétérogènes, constituant notamment la bande de Neuntelstein. Leur contact avec la granodiorite du Hohwald est souligné par de belles brèches magmatiques (enclaves de diorite à bordures lobées au sein de la granodiorite).
- diorites à texture aciculaire montrant un développement spectaculaire de l'amphibole en aiguilles fines et non orientées. Ce faciès n'est présent qu'à l'état d'enclaves dans certaines granodiorites.
Dans les deux cas, ces structures impliquent la mise en place simultanée de deux magmas immiscibles respectivement basique (diorites) et acide (granodiorites). Chimiquement, l'association plutonique du Champ du Feu constitue une suite calco-alcaline typique qui présente beaucoup d'analogies avec les séries magmatiques des marges continentales modernes. L'ensemble conduit donc à envisager là aussi, la possibilité de genèse dans un contexte lié à une subduction. Cette hypothèse pose cependant le problème de la persistance d'une aire océanique jusqu'à la fin du Dévonien, ce qui n'est pas prouvé.
Au Sud de la zone broyée de Lalaye-Lubine, les Vosges moyennes sont surtout formées de gneiss, migmatites et granites. C'est un domaine complexe à évolution polyphasée, qui a enregistré les phases compressives et l'épaississement crustal de la collision hercynienne puis la tectonique en distension qui a accompagné l'effondrement gravitaire de la chaîne. Les données chronologiques permettent d'attribuer au métamorphisme un âge hercynien. L'âge des séries originelles n'est en revanche pas connu avec certitude.
Les séries gneissiques affleurent essentiellement dans le Nord des Vosges moldanubiennes. Les plus importantes sont les séries de La Croix-aux-Mines et Urbeis sur le versant lorrain et de Sainte Marie-aux-Mines sur le versant alsacien.
Sur l'exemple de la série de la série de Sainte Marie aux Mines, la succession suivante peut y être proposée de bas en haut:
- amphibolites à grenat, à compositions de basaltes et andésites
- gneiss à grenat avec quelques intercalations de leptynites et calcaires cristallins
- gneiss à sillimanite, grenat, cordiérite et biotite
- gneiss à sillimanite
L'ensemble représente donc une série débutant par un volcanisme basaltique puissant auquel succèdent des sédiments d'abord immatures (grauwackes) puis gréso-pélitiques.
Deux faits particulièrement significatifs peuvent y être relevés:
- l'existence très locale de reliques éclogitiques (environs de Combrimont par exemple)
- la présence, également locale, mais plus fréquente de péridotites associées à des granulites. Cette association pas fortuite: les péridotites représentent des écailles du manteau insérées dans des roches représentatives de la partie la plus profonde de la croûte continentale.
Le métamorphisme débute par une phase de très haute pression dont les éclogites et les péridotites sont les rares témoins. La pression est ensuite décroissante engendrant successivement le disthène, la sillimanite puis la cordiérite. La phase HP correspondrait à l'écaillage avec redoublement de l'épaisseur de la croûte. Le soulèvement isostatique consécutif serait responsable de la décompression. Il est accompagné par une fusion partielle intense qui a engendré les migmatites de Gerbépal et des Trois Epis.
L'âge de ces événements, en partie hypothétique, s'étendrait du Dévonien moyen (~380 Ma) au Carbonifère inférieur (350-340 Ma).
Les séries métamorphiques sont structurées en nappes déversées vers le Sud et chevauchantes sur des formations dévono-dinantiennes elles-mêmes migmatisées (migmatites de type Kaysersberg). Ces structures, représentatives de la phase collisionnelle de l'orogène, impliquent que la collision continentale est antérieure au Dévonien moyen.
L'abondance et la diversité des granites vosgiens ne permettent pas d'en dresser ici un inventaire détaillé. Deux points méritent cependant d'être soulignés à leur égard:
- la diversité de leur origine: certains granites, à composition alumineuse (granites de Remiremont, du Bramont, de Ventron…), sont issus de la fusion partielle de la croûte continentale. Ils sont parfois associés à des migmatites. D'autres, plus sombres, souvent riches en enclaves basiques, montrent une hybridation plus ou moins poussée avec des magmas provenant du manteau (granite des Crêtes par exemple).
- mécanismes de mise en place: il est souvent possible de montrer que la mise en place des granites est largement contrôlée par la tectonique. Les "plutons" à formes arrondies sont rares. Les Vosges montrent au contraire de superbes exemples de massifs à gisement "en lames" associés au fonctionnement d'accidents crustaux majeurs. C'est le cas du granite de Barbey-Seroux qui constitue une lame sub-horizontale jalonnant la base d'une nappe de charriage profonde ou encore du granite du Valtin, allongé sur près de 40km le long de la faille de Sainte-Marie-aux-Mines à Retournemer.
Globalement, les Vosges moyennes se caractérisent donc, par opposition avec les régions situées de part et d'autre, par la prédominance de roches de grande profondeur. Il s'agit donc de l'unité qui a connu, durant l'orogenèse, le relèvement maximal. L'érosion consécutive en a donc porté les parties les plus profondes à l'affleurement.
Cette région ressemble par beaucoup de caractères à la partie septentrionale du massif. On y retrouve notamment un très grand développement des séries sédimentaires et volcaniques d'âge dévono-dinantien affectées par un métamorphime de faible intensité. Le plutonisme s'y exprime aussi sous la forme du pluton composite du "granite des Ballons".
- Dans le domaine méridional, les formations les plus anciennes (collines du Belfortais) sont des calcaires et des volcanites basiques à acides d'âge dévonien moyen recouverts par des calcschistes fossilifères du Dévonien supérieur. Le Viséen inférieur est représenté par les séries de Plancher-Bas et d'Oderen (schistes, grauwackes et intercalations de volcanites parfois en pillow-lavas). Le Viséen moyen est surtout volcanique et constitue la série de Malvaux. Toutes ces séries sont en grande partie marines.
Le Viséen supérieur est représenté par la série de Thann-Giromagny dont les sédiments souvent grossiers marquent l'installation de conditions continentales (paléosols, fossiles végétaux…). Le volcanisme y est très diversifié et parfois aérien (coulées prismées).
- Le domaine septentrional est occupé par la série du Markstein, épaisse de + de 5000 m, monotone et quasiment exempte de volcanisme. Aucune datation paléontologique n'est disponible sur cette série. Un âge Dévonien moyen à Carbonifère inférieur est suggéré par l'étude des galets de roches volcaniques contenus dans des passées conglomératiques.
La mise en évidence récente du passage progressif de la série du Markstein aux migmatites de Kaysersberg et aux "granito-gneiss" des Vosges moyennes implique que le bassin dans lequel elle s'est déposée couvrait largement le socle gneissique.
Les roches plutoniques des Vosges du Sud sont elles aussi variées. Certaines d'entre elles ne peuvent être clairement différenciées de celles des Vosges moyennes.
- Le plutonisme précoce est d'âge viséen et s'étend du Col des Croix au Ballon d'Alsace. Il est représenté par des gabbros et diorites à structures cumulatives, de microdiorites, monzodiorites et monzonites. Les différents faciès sont parfois imbriqués au point de former de véritables brèches magmatiques. Le chimisme tholéiitique des termes de base conduit à envisager une mise en place un contexte de déchirure continentale. L'évolution vers les termes monzonitiques traduit sans doute une contamination par la croûte continentale.
- le plutonisme granitique est représenté par le granite des Ballons et par le granite des Crêtes. Dans les deux cas, la genèse de ces granites mettrait en jeu un magma-souche basique d'origine mantellique et les produits de son hybridation avec des liquides crustaux.
Les données géochronologiques récentes indiquent que l'ensemble du magmatisme des Vosges du Sud s'inscrit dans un intervalle très bref entre 345 Ma pour le début du volcanisme et 340 Ma pour la mise en place des granites.
L'histoire géologique des Vosges s'inscrit dans le cadre de l'évolution de la chaîne hercynienne. Cette chaîne dont l'histoire s'étend sur la seconde moitié de l'ère primaire résulte de la collision de deux plaques continentales majeures (fig. 4). Par son ampleur elle a sans doute été comparable à l'actuelle chaîne himalayenne. Les Vosges, bien que n'en constituant qu'un très modeste maillon, portent témoignage des principales phases de son histoire:
Figure 4 : La chaîne hercynienne dans la configuration des continents
à la fin du Carbonifère d’après Ph. Matte (1991)
- les formations du Paléozoïque inférieur (Villé, Steige) sont les témoins de la sédimentation marine sur la bordure septentrionale de Gondwana alors séparé de Laurentia-Baltica par un large océan qui s'est fermé progressivement par subduction vers le Sud.
- dès le Siluro-Dévonien, la fermeture de cet océan conduit à la collision continentale. Les formations métamorphiques des Vosges moyennes, issues de l'écaillage et du redoublement d'épaisseur de la croûte continentale en sont les témoins.
Figure 5 : Coupe interprétative N-S des Vosges avant la mise en place des granites tardifs (325 Ma), d’après Flück et al., (1987) modifié et simplifié.
- Au cours du Dévono-Dinantien, alors que la convergence se poursuit globalement à l'échelle de la chaîne, des bassins sédimentaires en extension s'individualisent de part et d'autre du domaine moldanubien. Dans les Vosges du Nord et du Sud la sédimentation marine s'y accompagne d'un important magmatisme qui alimente largement les dépôts sédimentaires.
- au Viséen supérieur, la poursuite de la convergence conduit à l'exhumation rapide du socle métamorphique moldanubien. Sa décompression s'accompagne d'une anatexie intense responsable de la formation des migmatites de Gerbépal et des Trois Epis qui sont finalement charriées sur les séries des Vosges méridionales. Ces dernières subissent alors également une fusion partielle (migmatites de Kaysersberg) facilitée par l'apport de chaleur des magmas basiques qui accompagnent les granites des Ballons et des Crêtes.
- La phase ultime de l'évolution correspond à un épisode d'extension généralisée sans doute liée à l'effondrement gravitaire de la chaîne. Les accidents chevauchants rejouent alors en extension pendant que se mettent en place les derniers granites essentiellement alumineux.
L'histoire du socle cristallin des Vosges est alors achevée. Celle des montagnes vosgiennes est loin de l'être:
Les formations métamorphiques et granitiques sont très rapidement portées en surface par le jeu conjugué de l'extension et de l'érosion. Les granites servent ainsi de substratum au dépôt de sédiments dès le Carbonifère moyen, quelques millions d'années seulement après leur cristallisation en profondeur ! .
L'érosion de la chaîne se poursuivra durant le Permien de sorte qu'à l'aube des temps secondaires, c'est sur une surface quasiment plane que se déposeront les sédiments continentaux du Trias. Ultérieurement, la région a probablement été recouverte par les mers jurassiques dont les sédiments n'ont été préservés que dans le fossé rhénan. Il n'existait alors plus aucun relief à l'emplacement des Vosges.
Ce n'est qu'au cours du Tertiaire, durant l'histoire alpine, que les Vosges seront relevées et que l'érosion du revêtement sédimentaire portera leur socle cristallin à l'affleurement pour la seconde fois de son histoire. La vieille surface de pénéplénation anté-triasique, si apparente dans les paysages, sera alors exhumée (fig 5)
Les reliefs actuels résultent de l'incision de cette surface par l'érosion récente, glaciaire notamment. Les formes arrondies qui en résultent ont longtemps fait croire à leur vieillesse.
Ils ont pourtant le même âge que les reliefs alpins !
Quelques repères bibliographiques:
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