Dernière mise à jour le 05/01/2005

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Journée Andra des Doctorants, Paris, Juin, communication.

ENFOUISSEMENT, EXHUMATION ET DEFORMATION DES SERIES MESOZOIQUES DE L'EST DU BASSIN DE PARIS : APPORTS DE L'ETUDE DES FIGURES DE COMPACTION ET DE FRACTURES A REMPLISSAGE

G. André, C. Hibsch, B. Beaudoin, M. Cathelineau

1. OBJECTIFS

La géométrie des terrains mésozoïques, de même que leurs caractéristiques pétrographiques et structurales dans l'environnement régional du site de Meuse/Haute-Marne découlent : de l'histoire de leur mise en place, des perturbations provoquées par leur compaction lors de l'enfouissement et de l'interaction avec les différents champs de contraintes tectoniques successifs. Ce travail de doctorat financé par l'Andra a comme objectif premier la reconstitution de l'histoire tectonique de l'Est du Bassin parisien avec un accent particulier porté sur les déformations synsédimentaires mésozoïques, les formations tertiaires étant absentes de la zone d'étude. Pour ces raisons les déformations que l'on est amené à analyser résultent de l'interférence entre la tectonique et les processus de compaction, ce dernier facteur étant surtout influant dans les premiers stades de l'enfouissement et à considérer dans le cas d'une tectonique précoce et/ou synsédimentaire. L'activité synsédimentaire est parfaitement identifiable sur profils sismiques, elle se caractérise par des épaississements le longs des failles de Saint Martin de Bossenay (Héritier et Villemin, 1971), Metz, la Marne et Vittel (Le Roux, 1980). Les profils sismiques de la zone concernée seront donc analysés en détail afin, une fois les séries décompactées, de discerner d'éventuels mouvements tectoniques contemporains des dépôts.

Par ailleurs, plusieurs études (Le Roux, 1980 ; Megnien, 1980 ; Steiner, 1980 ; Bergerat, 1987 ; Coulon, 1992 ; Guillocheau, 2000) se sont attachées ces dernières années à retracer l'histoire tectonique de l'Est du bassin de Paris. Plus récemment, nos travaux ont permis de faire le point sur l'état de fracturation des calcaires du Dogger et du Malm dans l'environnement régional du site, identifiant des chronologies relatives entre les différentes phases de déformations analysées plus en détail au cours de cette thèse. Leur classement relatif et leur datation absolue restent bien entendu les principales interrogations.

2. METHODES

L'essence même de ce travail repose sur la complémentarité entre:

- une approche sédimentologique permettant d'identifier précisément, dans le temps et l'espace, les volumes déformés au cours de la sédimentation et de l'enfouissement;

-une approche structurale qui visera à caractériser cette déformation, la quantifier et à l'intégrer dans un schéma tectonique global à l'échelle de l'Est du bassin de Paris, de la Champagne aux Vosges et de la Bourgogne aux Ardennes;

-une approche géochimique et isotopique des paléo-fluides syn-tectoniques devant aider à préciser l'enchaînement des phases de fracturation, notamment en évaluant les paléo-conditions de cristallisations.

Les résultats du travail effectué sur des filons sédimentaires découverts dans l'Oxfordien calcaire de Lorraine illustrent cette démarche. Ce type de remplissage peut être la conséquence d'injections hydrauliques ou de remplissages gravitaires. Ils semblent traduire une fracturation précoce potentiellement contemporaine d'une tectonique synsédimentaire jurassique dont ils révèlent le paléo-état de contrainte. L'étude pluridisciplinaire de ces filons devrait permettre de préciser les conditions de fracturation des séries lors de cet épisode tectonique mésozoïque.

3. FILONS SEDIMENTAIRES OXFORDIENS

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figure 1 : Localisation des sites présentant des filons sédimentaires.

3.1 Localisation

Ces filons sédimentaires (figure 2B) se rencontrent sur une quinzaine de sites entre Verdun au nord (DSM1) et Chaumont au sud (DS15) parmi la cinquantaine d'affleurements explorés (figure 1). Stratigraphiquement ils s'échelonnent de l'Oxfordien moyen, représenté par l'Entroquite à l'affleurement, à l'Oxfordien supérieur dans les calcaires récifaux et Calcaires à Astartes. Les sites les plus riches en filons (DSM1, SM1 et SM2) sont localisés dans l'Entroquite (figure 2A), celle-ci étant interprétée comme une succession de barres de déferlement. Leur allongement orienté N60°E a été rattaché à un possible contrôle paléo-géographique de la faille de Metz (David, 1998) mais semble être sans incidence sur la direction des filons orientés NNE-SSW (figure 1).

3.2 Morphologies des filons et nature des remplissages

Ne dépassant pas quelques centimètres d'épaisseur, d'aspect macroscopique blanc laiteux ces filons se développent verticalement sur plusieurs mètres (10-20m) et présentent pour certains une réactivation (stries décrochantes et normales) lors des phases de tectoniques ultérieures (figure 2C). L'étude en sections polies et en lames minces révèle :

un premier remplissage micritique dont ne subsistent que des fragments sur les épontes (figure 2E);

un second matériau, constitué de cristaux de sparite fine et microsparite présentant des lamines en coupelles suggérant un remplissage per descensum, (figure 2D).

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Figure 2 : planches photographiques, A :carrière dans l'Entroquite; B : filon; C : stries sur filon ; D : section polie ; E : lame mince.

L'histoire de ces filons apparaît complexe et polyphasée, la micrite attestant d'un remplissage précoce sous un environnement marin alors que la microsparite évoque un dépôt clastique vadose. Les plus jeunes terrains affectés sont oxfordiens supérieurs et les filons n'ont encore jamais été observés dans les Calcaires rocailleux (Kimméridgien) ce qui suggère un âge fin Oxfordien, période marquée par une tectonique synsédimentaire en extension E-W dans les Ardennes (Lefrançois, 1997) ainsi qu'en Bourgogne (Chevalier et al, 2001).

3.3 Conclusions et perspectives

Les filons globalement orientés NNE-SSW (figure 1), donnent un axe d'extension E-W à WNW-ESE, en accord avec l'histoire tectonique de la plate-forme européenne (Mascle, 1994). Ces observations constituent des indices intéressants d'une activité tectonique jurassique, d'autant plus intéressants que cette direction tectonique est le plus souvent attribuée au rifting oligocène. On sait que cette activité tertiaire est très probable, ou tout du moins qu'une activité postérieure au Crétacé est attestée dans la région par les mesures réalisées plus à l'Ouest dans la craie (Coulon, 1992), mais néanmoins, il apparaît nécessaire de prendre aussi en compte dorénavant l'histoire jurassique pour décrypter le signal de la fracturation NNE-SSW. De tels éléments sont d'une réelle importance dans la reconstitution de l'histoire tectonique mésozoïque et des paléocirculations de fluides dans les terrains situés en particulier à l'aplomb du site de Meuse/Haute-Marne. La suite des travaux devra préciser le paléo-environnement de formation de ces filons, le rôle de ces discontinuités sur la structure des terrains ainsi que leur éventuelle réutilisation au cours de l'évolution géodynamique de l'Est du Bassin de Paris.

webmaster : moi-même


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Pour ces raisons les déformations que l'on est amené à analyser résultent de l'interférence entre la tectonique et les processus de compaction, ce dernier facteur étant surtout influant dans les premiers stades de l'enfouissement et à considérer dans le cas d'une tectonique précoce et/ou synsédimentaire. L'activité synsédimentaire est parfaitement identifiable sur profils sismiques, elle se caractérise par des épaississements le longs des failles de Saint Martin de Bossenay (Héritier et Villemin, 1971), Metz, la Marne et Vittel (Le Roux, 1980). Les profils sismiques de la zone concernée seront donc analysés en détail afin, une fois les séries décompactées, de discerner d'éventuels mouvements tectoniques contemporains des dépôts. Par ailleurs, plusieurs études (Le Roux, 1980 ; Megnien, 1980 ; Steiner, 1980 ; Bergerat, 1987 ; Coulon, 1992 ; Guillocheau, 2000) se sont attachées ces dernières années à retracer l'histoire tectonique de l'Est du bassin de Paris. Plus récemment, nos travaux ont permis de faire le point sur l'état de fracturation des calcaires du Dogger et du Malm dans l'environnement régional du site, identifiant des chronologies relatives entre les différentes phases de déformations analysées plus en détail au cours de cette thèse. Leur classement relatif et leur datation absolue restent bien entendu les principales interrogations. 2. METHODES L'essence même de ce travail repose sur la complémentarité entre: - une approche sédimentologique permettant d'identifier précisément, dans le temps et l'espace, les volumes déformés au cours de la sédimentation et de l'enfouissement; -une approche structurale qui visera à caractériser cette déformation, la quantifier et à l'intégrer dans un schéma tectonique global à l'échelle de l'Est du bassin de Paris, de la Champagne aux Vosges et de la Bourgogne aux Ardennes; -une approche géochimique et isotopique des paléo-fluides syn-tectoniques devant aider à préciser l'enchaînement des phases de fracturation, notamment en évaluant les paléo-conditions de cristallisations. Les résultats du travail effectué sur des filons sédimentaires découverts dans l'Oxfordien calcaire de Lorraine illustrent cette démarche. Ce type de remplissage peut être la conséquence d'injections hydrauliques ou de remplissages gravitaires. Ils semblent traduire une fracturation précoce potentiellement contemporaine d'une tectonique synsédimentaire jurassique dont ils révèlent le paléo-état de contrainte. L'étude pluridisciplinaire de ces filons devrait permettre de préciser les conditions de fracturation des séries lors de cet épisode tectonique mésozoïque. 3. FILONS SEDIMENTAIRES OXFORDIENS cliquez sur l'image pour l'agrandir figure 1 : Localisation des sites présentant des filons sédimentaires. 3.1 Localisation Ces filons sédimentaires (figure 2B) se rencontrent sur une quinzaine de sites entre Verdun au nord (DSM1) et Chaumont au sud (DS15) parmi la cinquantaine d'affleurements explorés (figure 1). Stratigraphiquement ils s'échelonnent de l'Oxfordien moyen, représenté par l'Entroquite à l'affleurement, à l'Oxfordien supérieur dans les calcaires récifaux et Calcaires à Astartes. Les sites les plus riches en filons (DSM1, SM1 et SM2) sont localisés dans l'Entroquite (figure 2A), celle-ci étant interprétée comme une succession de barres de déferlement. Leur allongement orienté N60°E a été rattaché à un possible contrôle paléo-géographique de la faille de Metz (David, 1998) mais semble être sans incidence sur la direction des filons orientés NNE-SSW (figure 1). 3.2 Morphologies des filons et nature des remplissages Ne dépassant pas quelques centimètres d'épaisseur, d'aspect macroscopique blanc laiteux ces filons se développent verticalement sur plusieurs mètres (10-20m) et présentent pour certains une réactivation (stries décrochantes et normales) lors des phases de tectoniques ultérieures (figure 2C). L'étude en sections polies et en lames minces révèle : un premier remplissage micritique dont ne subsistent que des fragments sur les épontes (figure 2E); un second matériau, constitué de cristaux de sparite fine et microsparite présentant des lamines en coupelles suggérant un remplissage per descensum, (figure 2D). cliquez sur l'image pour l'agrandir Figure 2 : planches photographiques, A :carrière dans l'Entroquite; B : filon; C : stries sur filon ; D : section polie ; E : lame mince. L'histoire de ces filons apparaît complexe et polyphasée, la micrite attestant d'un remplissage précoce sous un environnement marin alors que la microsparite évoque un dépôt clastique vadose. Les plus jeunes terrains affectés sont oxfordiens supérieurs et les filons n'ont encore jamais été observés dans les Calcaires rocailleux (Kimméridgien) ce qui suggère un âge fin Oxfordien, période marquée par une tectonique synsédimentaire en extension E-W dans les Ardennes (Lefrançois, 1997) ainsi qu'en Bourgogne (Chevalier et al, 2001). 3.3 Conclusions et perspectives Les filons globalement orientés NNE-SSW (figure 1), donnent un axe d'extension E-W à WNW-ESE, en accord avec l'histoire tectonique de la plate-forme européenne (Mascle, 1994). Ces observations constituent des indices intéressants d'une activité tectonique jurassique, d'autant plus intéressants que cette direction tectonique est le plus souvent attribuée au rifting oligocène. On sait que cette activité tertiaire est très probable, ou tout du moins qu'une activité postérieure au Crétacé est attestée dans la région par les mesures réalisées plus à l'Ouest dans la craie (Coulon, 1992), mais néanmoins, il apparaît nécessaire de prendre aussi en compte dorénavant l'histoire jurassique pour décrypter le signal de la fracturation NNE-SSW. De tels éléments sont d'une réelle importance dans la reconstitution de l'histoire tectonique mésozoïque et des paléocirculations de fluides dans les terrains situés en particulier à l'aplomb du site de Meuse/Haute-Marne. La suite des travaux devra préciser le paléo-environnement de formation de ces filons, le rôle de ces discontinuités sur la structure des terrains ainsi que leur éventuelle réutilisation au cours de l'évolution géodynamique de l'Est du Bassin de Paris.

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