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La macrogélifraction et ses causes.

Dossier - Massif Central : les chirats
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Les chirats sont des tabliers de blocs qui recouvrent les versants sur la bordure orientale du Massif Central français. Ils s'étendent jusqu'en Ardèche, en revanche, leur extension ne se prolonge pas beaucoup plus qu'aux Cevennes.

  
DossiersMassif Central : les chirats
 

Le débat sur les causes du développement de ces tabliers de blocs dans cette partie du Massif Central s'est largement cristallisé autour du comportement particulier des roches locales qui, si elles sont en effet originales, présentent néanmoins un caractère de rareté tout relatif.

La macrogélifraction. © Till Niermann, Wikimedia commons, DP

A - Un responsable : le gneiss oeillé ?

La littérature classique, Grüner (1857), Milon (1935), lie l'existence des chirats au gneiss oeillé. Cette affirmation mérite d'être nuancée en raison de la grande variété et de la complexité de la couverture métamorphique, dont l'interprétation a fait l'objet de nombreuses réévaluations (Duthou et al., 1998 : Briand et al., 2002).

L'ensemble de la zone considérée fait partie d'un massif vivarois, dont le cœur est constitué de granites à « tablettes d'orthoses » entouré d'un complexe de migmatites sombres d'âge ante-viséen et donc antérieur au dôme Carbonifère du Velay auquel il avait été souvent intégré dans les travaux antérieurs. En recouvrement, une couverture métamorphique dite claire comporte des séries de gneiss, de leptynites et d'anatexites dans lesquelles se développent les chirats.

Ces couvertures sont limitées dans leur extension au Nord par l'accident tectonique « majeur » de Planfoy à Condrieu qui sépare cet ensemble de la série métamorphique de basse pression dite « du Pilat » mais qui, structuralement, est à rattacher aux Monts du Lyonnais.

Type de gneiss leptynique. (Chirat de Combernaud.)

Cette dernière comporte peu de chirats, exclusivement dans les micaschistes et en fond de vallon.

Ces anatexites et gneiss clairs ont une grande hétérogénéité d'aspect, ils se présentent sous la forme de roches où les lits micacés dessinent l'orientation minérale en se moulant sur les yeux d'orthoses (fig.11). Cette structure, générale dans les gneiss, apparaît seulement de manière ponctuelle dans les anatexites, où seules, les parties de la roche les moins homogénéisées -le mélanosome- montrent cette disposition. Cette variété de structure, de granularité de la roche, d'orientation, cache une assez grande homogénéité de composition chimique.

Composition chimique (%) des Couvertures métamorphiques du Vivarais.(Etlicher, 1986, d'après divers auteurs).

La faiblesse en fer (FeO comme Fe2O3) et la richesse en silice apparaissent nettement sur le tableau chimique.

Pétrographie des chirats (d'après Etlicher, 1977)

La répartition des chirats en fonction du faciès pétrographique a fait l'objet d'une analyse en 1976 dont les résultats sont donnés sur le tableau de la figure 13.

Les faciès clairs sont les plus représentés et, dans ce lot, les faciès structuralement inférieurs, anatexites et granites l'emportent sur les gneiss leptyniques. Les chirats ne sont cependant pas totalement absents du substrat sombre puisque deux exemplaires s'y développent, curieusement, dans les faciès les plus hétérogènes et les plus sombres. La minéralogie n'entre peut-être pas seule en ligne de compte et la structure de la roche a une place importante.

Ces remarques justifient un approfondissement du comportement au gel de ces roches par des tests de gélivité.

B - Les expériences de gélivation et leurs enseignements

Plusieurs essais de gélivation réalisés tant sur des blocs sains que sur des arènes dérivées de ces matériaux permettent d'en éclairer le comportement.

-- Les essais sur les blocs.

Les essais sur les blocs ont été réalisés au laboratoire rhodanien de géomorphologie à Lyon. Ils ont fait l'objet d'un compte rendu détaillé (Etlicher, 1986 ; Etlicher, Mandier 1987 ), aussi, seul un résumé succinct des résultats sera fourni ici.

La caractérisation des échantillons a été faite par l'analyse des lames minces et des mesures de perméabilité et de porosité. Ce dernier paramètre, le plus utile, a été mesuré par injection de mercure sous pression jusqu'à 1500 HPa.

Porosité des échantillons testés au gel.

Les courbes porosimétriques montrent clairement un réseau poreux extrêmement fin dont l'interprétation géométrique reste difficile à conduire ; sans entrer dans le débat sur la pertinence de la distinction entre porosité de fissure ou porosité de « vacuoles » pour ce type d'échantillon à porosité très fine (Lageat, 1981), il faut souligner que la porosité piégée apparaît nulle et que l'essentiel du réseau se situe en-dessous de 5000 Å, voire pour certains échantillons de 2000 Å, suggérant l'existence d'un réseau de fissures (cracks) extrêmement fin. Les lames minces confirment d'ailleurs que ce réseau traverse les différentes espèces minérales, mais particulièrement les quartz et qu'il ne coïncide pas avec les joints entre minéraux.

Globalement, cette porosité faible et surtout très fine est donc difficilement accessible à l'eau dans les conditions de terrain. Seule l'ascension capillaire dans un bloc dont la base est saturée d'eau peut permettre le remplissage de tels pores, ce qui n'est évidemment possible que dans le cas de blocs partiellement noyés dans une couche active estivale gorgée d'eau. Encore les études récentes montrent elles (Hall, 1986 ; 1997) que dans ces conditions, l'assèchement des blocs par les parois peut être rapide jusqu'à une certaine distance des faces, surtout en cas de vent.

Les résultats de la gélifraction de blocs de 750 g environ, après 400 cycles de gel-dégel quotidien entre -12°C et +15°C (Etlicher, et Mandier, 1987), mettent en lumière le comportement original de ces matériaux.

Le montant des débris fourni est faible puisque le plus généreux a produit 6,1 g au kilo, les autres échantillons se situant nettement en deçà ; ces valeurs doivent être comparées à celles des autres faciès (en l'occurrence des granites et granodiorites du Massif Central) qui, à l'exception du massif de Tournon, en fournissent environ 10 fois plus (entre 10 et 150 g au kg).

Production de débris et part des fines après 400 cycles de gel (D'après Etlicher et Mandier, 1987) - Production de débris et part des débris fins (

Plus discriminante encore, est la taille des débris produits. Les fines inférieures à 50 µ représentent de 14 à 62 % du poids de ces débris.

En comparaison, les autres faciès de monzogranites et granodiorites les plus résistants ne dépassent pas 20 % pour cette fraction, l'essentiel des débris étant des sables et des graviers. Cette prédominance des silts dans les débris est certainement l'enseignement le plus intéressant à retenir.

-- Les essais sur les arènes.

L'analyse du comportement des arènes confirme pleinement ces résultats. Dans le cadre d'un autre essai de longue durée (5 ans et 1500 cycles) portant sur des arènes meubles, le comportement des arènes issues des couvertures claires est également apparu singulier (Etlicher et Lautridou, 1999)

L'amenuisement des arènes de ces échantillons appartient au type 3 défini dans le protocole de l'expérience, produisant davantage de matériaux de la taille des silts que les autres faciès. La partie fine de la courbe granulométrique semble connaître une évolution plus rapide que la partie grossière car, au fil des cycles, on observe que le classement de la courbe granulométrique se détériore. Il a été montré que ce comportement était à mettre en relation avec une grande fragilité des quartz, qui apparaissent dans ces faciès comme l'espèce la plus gélive, souvent davantage que les grains polyminéraux.

Contrairement aux arènes où la désagrégation granulaire est le mode de gélifraction principal qui, en exploitant préférentiellement les joints entre minéraux, dissocie ces derniers et produit une arène sableuse où dominent les grains monominéraux qui s'amenuisent rapidement au début puis, très vite, évoluent peu à mesure que les grains polyminéraux disparaissent du stock d'arènes, on a affaire ici à une évolution à la fois plus lente mais plus complexe : une production régulière de poudre fine se poursuit à rythme constant durant tout l'essai. Elle résulte d'une fragilisation des quartz qui se disloquent sous l'action du gel en une poudre extrêmement fine, allant jusqu'à former des particules de quelques microns que les analyses aux rayons X détectent clairement, cette fragilisation est due aux phases de tectonique compressive lors de la mise en place du granite du Velay (Briand et al., 2002) qui ont affecté toute la bordure orientale du Massif Central engendrant de vastes décrochements senestres et la compression du bassin houiller de Saint Etienne.

La production importante de silt au détriment de la désagrégation granulaire fournissant de l'arène sableuse, s'avère être un facteur favorable au développement de la macro gélifraction. La taille de ces débris rend possible en effet leur mobilisation par le vent et le ruissellement.

Granulométrie des fines présentes dans les diaclases. La comparaison de la granulométrie moyenne des fines dans les diaclases et des produits issus de la gélifraction montre bien leur similitude. On comparera ces produits de gélifraction avec ceux fournis par les faciès granitiques.

La comparaison des produits obtenus expérimentalement et des fines présentes dans les diaclases sur les tors et les corniches montre en effet l'identité granulométrique de ces produits. La composition des matériaux présents dans les diaclases des tors et chicots rocheux se caractérise par son extrême finesse, quelle que soit par ailleurs la granulométrie du manteau d'altérite.

Cette homogénéité granulométrique provient du mode d'alimentation ; ces matériaux tombent depuis les parois des blocs, parois largement saines sur les tors et les chicots, la saturation en eau des blocs n'étant pas réalisée dans les conditions les plus courantes, comme le montrent les mesures in situ en milieu périglaciaire (Hall 1997, André, 1996). Pas d'argiles, des silts et des sablons fins, la proportion maximale se trouve en dessous de 0.3 mm et la part de silts vrais, matériau beaucoup plus grossier, gravillonnaire et sableux qui n'est pas susceptible de gonfler dans les mêmes proportions lors du gel et donc d'élargir les fissures.

La bonne tenue de la roche et l'absence de désagrégation grossière, imputable à une bonne tenue des joints entre minéraux, entrave l'arénisation mécanique ou désagrégation granulaire. En revanche, la production en faible quantité d'une poudre fine, alimentée par le fractionnement des quartz, facilement mobilisable par le vent comme le ruissellement est un facteur qui ne peut que favoriser l'exploitation du réseau de diaclases d'origine tectonique à la fois parce qu'elle peut jouer, grâce à la capillarité, un rôle de compresse humide même dans des conditions d'alimentation en eau peu favorables sur un sommet de versant et parce qu'elle est susceptible de gonfler dans des proportions plus importantes qu'une arène sableuse lors du gel.

La micro gélifraction devient alors un facteur déterminant de la macro gélifraction. Ces produits sont entraînés dans les diaclases ouvertes qu'ils remplissent, permettant ensuite, lors du gonflement par le gel, la macro gélifraction des chicots rocheux. Ce gonflement est d'autant plus efficace que le phénomène se produit dès 0°C, alors que les températures requises pour faire éclater des roches peu poreuses comme des roches cristallines sont inférieures à -4°C (Matsuoka, 2001).

Point n'est donc besoin d'imaginer des froids très rigoureux (-30°C ou moins) comme cela a pu être envisagé pour produire des tabliers de blocs. Loin d'être le signe d'un climat très rigoureux, la macro gélifraction traduit davantage l'effet d'un gel peu sévère, insuffisamment efficace pour provoquer l'éclatement de ces faciès à porosité fine et faible.

Incontestablement, donc le facteur pétrographique est un élément d'explication à retenir : il existe bien un comportement particulier de ces faciès lors du gel, mais pour autant, ce facteur suffit - il a expliqué complètement le développement de ces chirats ?

Pour pouvoir s'exprimer la gélifraction a besoin de conditions tant paléoclimatiques que paléoenvironnementales bien précises.