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Organisation spatiale de la fracturation de détente mécanique de versant en carrières souterraines. Application aux plateaux des calcaires éocènes du Bassin de Paris

Alain Devos, Laurent Chalumeau, Nicolas Bollot, Christelle Sosson, Éléonore Barre, Olivier Lejeune et Geoffroy Gobancé
p. 243-262

Résumés

L'organisation spatiale de la fracturation de détente mécanique liée aux vallées est étudiée en carrière souterraine. Trente carrières situées dans les plateaux des calcaires éocènes du bassin de Paris, sur le revers de la côte d'Île-de-France, ont été étudiées. La méthode de travail consiste à réaliser une topographie de chaque carrière et à caractériser la fissuration recoupée sous terre (mesure de l'orientation, de la largeur des fissures, étude de leur remplissage) par des indices de fracturation et par une analyse statistique. Les résultats montrent que la fissuration dépend non seulement du contexte géomorphologique mais aussi de l'éloignement au versant. En effet, les sites d'éperon et de vallon d'ordre 1 sont caractérisés par une fracturation orthogonale débitant des blocs de petite taille, alors que les autres sites (front de côte, versant à tracé rectiligne, crête) présentent un réseau de fissures parallèles au versant, sans cloisonnement. La densité de fracturation augmente du centre des plateaux vers les versants, témoignant d'une détente mécanique qui s'accompagne d'une "cambrure" de versant ("camber" ou "cambering" des auteurs anglo-saxons), d'une extension latérale et de glissements à blocs. Le réseau de fissures porte la marque d'une paléokarstification des calcaires du Lutétien.

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Texte intégral

I - Introduction

1La fracturation de détente mécanique liée à la présence des grandes vallées a déjà été mise en évidence (R. CIRY, 1959 ; A. CEREPI, 2002 ; D. MOIRIAT et al.,2005 ; A. DEVOS et al.,2010). Les géomorphologues décrivent de nombreux sites où les mouvements de terrain constituent une réponse mécanique différée à la modification des contraintes lithostatiques d'un massif, contraintes inhérentes à l'incision non synchrone d'une vallée (A. CEREPI, 2002). Cependant la relation entre ces deux dynamiques de versant (fracturation de détente et mouvements de terrain) est peu explicitée.

2L'objectif de cette contribution est double. En effet, il s'agit de montrer, d'une part, l'apport de la démarche en carrières souterraines à la compréhension des dynamiques géomorphologiques de versant et, d'autre part, le rôle du contexte géomorphologique des sites sur l'organisation spatiale du réseau de fractures liées à la détente mécanique.

3Les dynamiques de versant représentées par la fracturation de détente, l'extension latérale et la "cambrure" de versant – telle que présentée par les auteurs anglo-saxons, sous les termes de "camber" (S.E. HOLLINGWORTH et al., 1944) ou de "cambering" (J.N. HUTCHINSON et G.R. COOPE, 2002) –, sont généralement observées par les auteurs en surface, en carrière à ciel ouvert ou à la faveur de coupes réalisées dans le cadre de travaux ou de fouilles préventives. Les couvertures pédologiques et végétales feutrent ces phénomènes "occultes" rarement observés, à tel point que pour certains auteurs la cambrure de versant est peu présente en France (B. Van Vliet-Lanoë, 2005). De plus, ces observations restent généralement ponctuelles et descriptives, et ne font pas l'objet d'une analyse statistique de la fracturation. Pourtant les observations spéléologiques réalisées en carrières souterraines et dans les réseaux karstiques peuvent apporter de précieuses informations sur l'organisation spatiale et la densité de la fracturation. En effet, l'observation souterraine en carrière permet de recouper les fissures en bordure d'une vallée. Cette approche, pourtant ancienne (L. HÉRICART DE THURY, 1815), a surtout été utilisée pour d'autres problématiques scientifiques, comme l'étude des discontinuités d'origine tectonique (M. ROCHER et al.,2003 ; D. Butaeye, 2004) des réseaux endokarstiques qui affectent les calcaires tithoniens du Barrois (S. JAILLET et al., 2002) ou les craies du Crétacé (E. GossÉ, 1990 ; M. Dethier et L. Willems, 2005). Les carrières souterraines sont également de bonnes opportunités pour l'étude de la faune cavernicole (M. Dethier et L. WillemS, 2005), des faciès géologiques (G. Fronteau et al., 2010), de l'aérologie des milieux souterrains (J.M. Osterman et al.,2007), de l'histoire des techniques (É. Cunrath, 2007) et des refuges pour les sociétés humaines. Elles s'intègrent dans une science propre à l'étude des souterrains, la subterranéologie,qui est principalement animée en France par la Fédération Française de l'Étude des Souterrains (SFES). Force est de constater que peu de publications font l'objet de la fissuration de détente mécanique liée à l'incision des vallées (D. Moiriat et al.,2005), alors qu'en carrière souterraine, ces phénomènes sont non seulement observables mais aussi suffisamment nombreux pour réaliser une analyse statistique de leur distribution (A. CEREPI, 2002).

4C'est pourquoi nous proposons de profiter des nombreuses carrières souterraines des plateaux des formations tertiaires (désignées sous l'appellation de "creutes") du Bassin de Paris pour étudier l'organisation spatiale de la fracturation de détente mécanique en bordure d'une vallée. Les travaux d'A. Devos et al. (2008, 2010) et de C. Sosson et al. (2009, 2011) intègrent cette approche pour mieux comprendre les dynamiques de versant dans le Soissonnais, le Valois, le Tardenois et le Laonnois.

II - Méthodes

5Le secteur d'étude s'inscrit dans les plateaux éocènes de revers de la côte d'Île-de-France entre Reims et Soissons (Fig. 1). Sur plus de 400 carrières recensées dans ce secteur, une trentaine a fait l'objet d'un levé topographique et de relevés de fracturation. Le choix des carrières étudiées est fonction de leur répartition spatiale, de leur accessibilité, de leur dangerosité et de leur représentativité. L'objectif de cette contribution étant de déterminer les paramètres structurant le réseau de fracturation de détente mécanique inhérent aux vallées, il convient de choisir des carrières souterraines inscrites dans le même contexte géologique. Elles sont toutes creusées dans les "Calcaires grossiers" du Lutétien moyen, qui arment le plateau et sont recouverts par 5 à 15 m de marnes, d'argiles et de calcaires des "Marnes et caillasses" du Lutétien supérieur. Ces calcaires lutétiens reposent sur les formations sableuses du Cuisien et argileuses de l'Yprésien qui constituent la partie basale des versants. Dans ce secteur, le Lutétien moyen est marqué par une importante variation latérale de faciès d'est en ouest (argiles blanches vers Reims à des calcaires francs à Soissons) qui s'accompagne d'une augmentation sensible de la puissance de la formation comprise entre 5 et 40 m (G. FRONTEAU et al., 2010).

Figure 1 - Carte de localisation des carrières souterraines.

Figure 1 - Carte de localisation des carrières souterraines.

6Le dispositif structural est monoclinal, avec un pendage faible (< 2 %) vers l'ouest, et ne présente pas de fracturation tectonique majeure (failles, ondulations, flexures). À défaut d'une cartographie de la déformation des formations tertiaires, les isohypses du toit de la craie sont utilisées (M. Duprat, 1997). Elles montrent de petites ondulations locales sous la forme de cuvettes et de dômes anticlinaux (Tardenois, Orxois) qui ont conditionné la sédimentation éocène, notamment au Thanétien, ainsi que la conservation de rares lambeaux bartoniens dans le Tardenois. Ces isohypses témoignent aussi d'une fracturation d'orientation armoricaine, de l'ordre de N125° (faille calée sur la vallée de l'Ardre et de la Vesle inférieure – Fig. 1). L'étude des linéaments permet également de mettre en évidence la fracturation oligocène, d'orientation N160°, marquée par des mouvements de distension ; mais les cartes géologiques ne figurent pas ces failles (M. LAURAIN et al., 1976). En l'absence d'une analyse détaillée de l'organisation spatiale des contraintes tectoniques et des linéaments qui affectent les plateaux des calcaires lutétiens, il est difficile de distinguer les discontinuités préexistantes de celles associées à la détente mécanique. En effet, dans la région, la trame structurale impacte généralement l'orientation des vallées d'ordre 1 à 3 selon l'ordination de HORTON (R.E. HORTON, 1945 ; A. DEVOS, 2010). À ce titre, l'azimut magnétique d'une fissure n'est pas le paramètre discriminant entre la tectonique et la détente mécanique de versant.

7Nous ne nous intéresserons ici qu'à la fracturation de détente, antérieure au creusement de la carrière. Celle-ci se manifeste par un réseau de diaclases, généralement élargies, à tracé continu dans l'ensemble de la carrière. Elle se distingue des fissures liées au creusement de la cavité anthropique, qui se forment pendant et postérieurement à l'exploitation. En effet, ces dernières présentent un tracé irrégulier, discontinu, dépendant de l'organisation spatiale des vides, du mode d'exploitation et des impacts humains (pilonnage par l'artillerie et minage par le Génie durant la Grande Guerre).

8Les carrières sont exploitées généralement "à flanc de coteau" – par des bouches de cavage au sommet des versants réglés – et plus rarement par des puits d'extraction creusés sur le plateau.

9Toutes les carrières s'inscrivent dans la partie sommitale de versants réglés, de vallons et de vallées creusés dans les calcaires éocènes (Fig. 1). Ces derniers sont incisés d'une centaine de mètres par des rivières allogènes d'ordre 4 à 7 selon l'ordination de HORTON et d'orientation est-ouest (Aisne, Marne, Vesle). Leur cours porte la marque des cycles de régressions et transgressions marines du Cénozoïque et plus particulièrement du Lutétien (J.P. GÉly, 1998 ; M. Duprat, 1997). En revanche, les cours d'eau indigènes secondaires, d'ordre 1 à 3, présentent une orientation souvent orthogonale, mais qui peut être aussi parallèle aux axes hydrographiques principaux, disséquant ainsi le revers de la côte en plateaux résiduels, voire en lignes de crête. Ce contexte morphostructural confère aux sites d'extraction une détente mécanique accentuée, liée aux versants des vallées, à la faible épaisseur du recouvrement en position de sommet d'interfluve et au contraste de dureté avec les sables cuisiens sous-jacents.

10Ainsi les carrières ne se différencient-elles les unes des autres que par leur site géomorphologique et leur emprise spatiale (de 10 ares à 10 hectares).

11Les trente carrières étudiées se répartissent au sein de six types de sites morphologiques de versant (Fig. 1 et 2), comme suit :

  • une seule sur un flanc de crête résiduelle (A : carrière n° 12) ;

  • huit sur un versant de vallée à tracé rectiligne (B : groupes de carrières n° 2, 6, 8, 9 et 13) ;

  • six sur un rebord d'éperon, de saillant ou de lambeau de plateau entre deux vallons (C : groupes de carrières n° 7, 15 et 17) ;

  • quatre dans une dépression ouverte vers l'aval (rentrant, niche topographique en forme d'amphithéâtre), ou "cuve" (terminologie locale) (D : groupes de carrières n° 1, 3 et 16) ;

  • huit sur un versant de vallon d'ordre 1 (E : groupes de carrières n° 4, 5, 10 et 14) ;

  • trois sur un front de côte (F : groupe de carrières n° 11).

Figure 2 - Typologie des sites géomorphologiques des carrières souterraines étudiées.

Figure 2 - Typologie des sites géomorphologiques des carrières souterraines étudiées.

12Chaque topographie de carrière est replacée dans son contexte géomorphologique grâce au géo-référencement des entrées et des puits d'extraction, de manière à comprendre l'organisation spatiale de la fracturation liée à la détente mécanique et ainsi le rôle du site sur le réseau de fractures. La distribution des carrières souterraines étudiées par types de sites géomorphologiques n'est pas homogène du fait, non seulement du contexte géomorphologique régional (davantage d'affleurements dans les vallées que sur le front de côte), mais aussi de la difficulté de trouver des carrières souterraines accessibles et susceptibles d'être cartographiées facilement (paramètres de taille, d'accessibilité et de dangerosité). Le second paramètre discriminant est la taille ou l'emprise spatiale de la carrière. Pour la mesurer, la démarche de travail s'inspire des méthodes de spéléologie scientifique. Elle consiste principalement à réaliser une topographie des vides et galeries de l'exploitation par cheminement et rayonnement au laser-mètre et à la boussole (Y. Grossenbacher, 1991). Les discontinuités (diaclases, fissures)sont recensées et caractérisées par leur orientation (azimut magnétique : AM), leur éventuel rejet (r), leur largeur moyenne (l), leurs matériaux de remplissage et la morphologie des épontes. Ponctuellement, des anomalies de pendage (α) sont calculées sous terre à partir de bancs repères et un échantillonnage peut être effectué sur les produits de remplissage (Fig. 3).

Figure 3 - Paramètres fissuraux mesurés en carrières souterraines.

Figure 3 - Paramètres fissuraux mesurés en carrières souterraines.

13Ces travaux longs et fastidieux nécessitent une équipe de deux à trois personnes. Pour exemple, le site de Ciry-Salsogne a demandé 21 jours de travail pour relever la topographie (185 points de mesures) et les discontinuités (194 fissures). Les données ainsi acquises sont valorisées, d'une part, par une cartographie de chaque cavité souterraine et de son réseau de fractures et, d'autre part, par une analyse statistique de la fracturation (diagramme de distribution). Afin de mieux appréhender l'évolution spatiale de la densité de fracturation en fonction de l'éloignement au versant, nous avons choisi des carrières de tailles suffisamment diversifiées, dont la distance par rapport au versant est comprise entre 20 et 450 m.

14Pour caractériser l'évolution spatiale de la densité des fractures, l'indice (iF) est calculé à partir du nombre de fissures recoupées par un segment de droite perpendiculaire au versant (Nf) rapporté à la longueur en mètre de ce segment (L) :
iF (fissure/m) = Nf / L .

15Cet indice reflète le degré de fracturation par mètre linéaire. Ainsi une forte densité de fracturation se traduit-elle par des valeurs fortes. Cet indice intègre toutes les fissures, quelle que soit la longueur du segment, et caractérise donc une densité moyenne pouvant cacher de fortes disparités spatiales le long du segment.

16Le degré de rapprochement des fissures peut être mesuré par l'indice de compacité iC, qui indique la distance moyenne (en m) entre deux fissures. Il correspond à l'inverse de l'indice iF :
iC (m) = 1 / iF = L/Nf .

17Mais ces deux indices, iF et iC, ne traduisent que la fracturation parallèle au versant. C'est pourquoi nous en proposons un autre, l'indice de fracturation croisée (iR), selon la relation suivante :
iR (croisement/m) = nombre des points de croisement des fissures / L .

18Cet indice permet d'appréhender le degré de fracturation orthogonale ramené à la longueur du segment. Il augmente corrélativement au nombre de croisements des fissures observées en carrières souterraines. Il traduit une fracturation de la couche géologique, en blocs qui tendent à se désolidariser de celle-ci.

III - Principaux résultats

1 ) Organisation spatiale des fissures

19L'organisation spatiale des fissures répond aux contraintes de détente mécanique du versant.

20Elles sont connectées entre elles, parallèles aux versants et disposées en relais en bordure des vallées à tracé rectiligne (Fig.4-B) et de front de côte (Fig.4-F). L'azimut magnétique des orientations des fissures relevé en carrières souterraines est proche, voire identique, à celui du talweg de la vallée (A. Devos et al.,2010). Dans ce cas, le cloisonnement est faible. La fracturation débite des blocs longilignes et étroits, de taille métrique, susceptibles de glisser sur les pentes.

Figure 4 - Exemples d'organisations spatiales de la fracturation dans les carrières souterraines selon les sites géomorphologiques – A : crêtes, B : vallée à tracé rectiligne, C : éperon, saillant, D : dépression ouverte inscrite dans le versant, E : vallon d'ordre 1, F : front de côte.

Figure 4 - Exemples d'organisations spatiales de la fracturation dans les carrières souterraines selon les sites géomorphologiques – A : crêtes, B : vallée à tracé rectiligne, C : éperon, saillant, D : dépression ouverte inscrite dans le versant, E : vallon d'ordre 1, F : front de côte.

21Les sites de crête (Fig.4-A), où les contraintes de détente sont potentiellement plus importantes que dans le cas du site B, présentent un réseau de fractures parallèles à l'axe de l'interfluve, sans orientation orthogonale.

22Les carrières situées dans les dépressions ouvertes inscrites dans les versants (Fig. 4-D) recoupent également un réseau de fractures parallèle à l'axe du vallon secondaire ou à celui de la vallée principale.

23Sur les sites de promontoire, de saillant ou d'éperon (Fig. 4-C), la détente conjointe de la vallée principale et des vallons affluents détermine une fracturation croisée, propice au cloisonnement en blocs. L'organisation de la fracturation est orthogonale, ce qui engendre un débitage ou un "vêlage" de blocs désolidarisés du massif calcaire. Les conditions sont alors propices aux blocs glissés sur les versants sableux, ce qui est mis en évidence par la cartographie géomorphologique (C. SOSSON et al.,2011).

24Enfin, cette distribution croisée de la fracturation se retrouve dans les vallons d'ordre 1 en bordure des vallées importantes (Fig. 4-E). Les carrières de Bucy-le-Long recoupent effectivement un réseau de fractures orthogonales qui témoignent de la détente conjointe de la vallée de l'Aisne (orientée sud-est/nord-ouest) et du vallon affluent direct, qui présente une orientation perpendiculaire à la précédente (nord-est/sud-ouest) (Fig. 1 et 4).

2 ) Densité des fissures par type de site

25La densité des fractures (iF) ainsi que le degré de rapprochement de ces dernières (iC) sont calculés pour l'ensemble des carrières. Les valeurs moyennes calculées sur l'effectif total sont de 0,15 fissure/m(iF) et de 8,65 m (iC). Celles-ci témoignent d'une intense fracturation en bordure des plateaux. Cette dernière s'explique par le contexte géomorphologique de l'encaissant calcaire perché au sommet des interfluves, à moins de 15 m de la surface et reposant sur des couches sableuses du Cuisien. Les calcaires du Lutétien enregistrent alors une double détente, qui est à la fois latérale (liée au creusement des vallées) et verticale, associée à la mise en affleurement des "Calcaires grossiers" suite au recul de la couverture des "Marnes et caillasses". Ces valeurs de compacité sont sensiblement les mêmes que celles calculées dans les calcaires oligocènes du Bassin Aquitain (A. Cérépi, 2002). Ces amplitudes moyennes cachent de fortes disparités de densité de fracture, car le coefficient de variation est de 64 % pour l'ensemble des carrières.

26Les moyennes des paramètres de fracturation (iF, iC et iR), calculées pour les sites géomorphologiques décrits plus haut, sont portées dans le tableau I et sur la figure 5.

Tableau I - Valeurs moyennes des densités de fissures (iF), des indices de compacité (iC) et de croisement (iR) selon le site géomorphologique des carrières souterraines.

Tableau I - Valeurs moyennes des densités de fissures (iF), des indices de compacité (iC) et de croisement (iR) selon le site géomorphologique des carrières souterraines.

Figure 5 - Valeurs moyennes des indices de fracturation (iF) et de croisement (iR) selon le site géomorphologique des carrières souterraines.

Figure 5 - Valeurs moyennes des indices de fracturation (iF) et de croisement (iR) selon le site géomorphologique des carrières souterraines.

27Les sites de vallon d'ordre 1 (E), de front de côte (F) et de dépression ouverte (D) présentent le degré de fracturation parallèle aux versants le plus important, avec des valeurs iF supérieures à 0,1 et des amplitudes (iC) inférieures à 10 m. Cela peut s'expliquer, pour les sites de vallon d'ordre 1 (E) et de dépression ouverte (D), par la proximité de la vallée principale, et, pour les sites de front de côte (F), par le faible éloignement au front de côte (moins de 100 m pour les trois carrières d'Hermonville).

28Les sites d'éperon ou de saillant (C) présentent une fracturation croisée caractéristique, avec des valeurs iR très fortes (par exemple 0,57 croisement/m à Prouilly) en comparaison des autres sites. De nombreux croisements de fractures orthogonales délimitent des blocs de taille relativement faible, de l'ordre d'une dizaine de mètres de côté, désolidarisés de la formation lutétienne. Les surfaces moyennes de ces blocs calculées aux carrières de Ciry-Salsogne et de Prouilly sont respectivement de 131 et 107 m2. Ainsi ces sites produisent manifestement des blocs glissés de faible dimension.

29Les valeurs pour les sites de versant de vallée rectiligne (B) et de crête (A) sont les plus faibles, avec des densités de fracturation minimales, sans croisement pour les crêtes (Fig. 4 et 5).

30La non-corrélation entre iF et iR (Fig. 6) confirme l'absence de relation entre la densité de fracturation et l'intensité du cloisonnement. Les sites géomorphologiques situés en bordure d'une seule vallée ou dépression (front de côte, dépression ouverte) ou entre deux vallées parallèles (crête) présentent, dans la majorité des cas, un indice de croisement (iR) très faible, voire nul, quelle que soit l'intensité de fracturation. En revanche, c'est parmi les éperons et les vallons d'ordre 1 que les valeurs de croisement sont les plus élevées.

Figure 6 - Représentation des valeurs de l'indice de croisement (iR) en fonction de celles de l'indice de fracturation (iF).

Figure 6 - Représentation des valeurs de l'indice de croisement (iR) en fonction de celles de l'indice de fracturation (iF).

3 ) Densité des fissures selon l'éloignement au versant

31Au sein d'une même carrière, l'examen des topographies montre que le réseau de fracturation est particulièrement dense à l'entrée des bouches de cavage, sur les versants et se relâche vers l'intérieur des plateaux (voir Fig. 4). Ainsi la densité de fracturation dépend étroitement de l'éloignement au versant (L). L'étude des relations entre l'indice L et les indices iF et iC (Fig. 7) montre, en effet, des nuages de points allongés, avec une courbe de type exponentielle décroissante pour iF et logarithmique pour iC. Cela témoigne bien d'une diminution significative de la densité de fracturation des versants vers le centre des plateaux. Au niveau des entrées des carrières, la distance moyenne entre deux fissures est de 5 m et peut atteindre seulement 2 m à Fismes, Branscourt et Bucy-le-Long. A contrario, 400 m plus loin, vers le centre des plateaux, l'amplitude est de 15 m, voire de 20 m, dans les carrières de Courville et de Bonneuil-en-Valois.

Figure 7 - Relations entre les valeurs de l'éloignement au versant (L) et celles 1/ du degré de fracturation (iF) et 2/ du degré de rapprochement des fissures (iC).

Figure 7 - Relations entre les valeurs de l'éloignement au versant (L) et celles 1/ du degré de fracturation (iF) et 2/ du degré de rapprochement des fissures (iC).

32 À l'issue de la présentation des mesures, il apparaît nettement que le contexte géomorphologique structure l'organisation spatiale de la fracturation observée en carrières souterraines. Pour des carrières toutes situées dans la partie sommitale de versants réglés, dans la même formation géologique ("Calcaires grossiers" du Lutétien moyen), surmontée par la mince couverture des "Marnes et caillasses", une grande hétérogénéité dans la fracturation est enregistrée. Cette dernière est conditionnée par le type de site géomorphologique dans lequel s'intègre la cavité et par la proximité au versant, qui détermine un gradient spatial de densité de fracturation. Nous pouvons toutefois nuancer ces résultats par le rôle probable de l'hétérogénéité spatiale de la fracturation d'origine tectonique, non représentée sur les cartes géologiques.

33Outre le tracé des fractures, leur largeur a également été mesurée dans quatre carrières souterraines.

4 ) Largeur et remplissage des fractures

34La largeur des fractures est un paramètre important dans la compréhension des contraintes mécaniques affectant la bordure des plateaux. Les contraintes de compression sont repérées grâce aux fractures resserrées avec des surfaces d'éponte striées. En revanche, les contraintes de détente sont représentées par des fractures ouvertes (épontes verticales et obliques) liées à l'extension latérale et aux mouvements relatifs apparents (rejets) témoignant du tassement des blocs et d'un début de glissement. Elles conditionnent fortement la perméabilité de fissure dominante et la transmissivité du massif calcaire en bordure des plateaux.

35Ce travail est réalisé dans trois carrières souterraines inscrites dans un vallon d'ordre 1 à Bucy-le-Long (Bucy, grottes de l'Ermite et de l'Ours) et dans une autre, creusée dans un éperon à Ciry-Salsogne.

36L'étude de la distribution des largeurs des fissures (Fig. 8) montre une grande hétérogénéité au sein même d'une carrière, car les valeurs varient entre 1 cm et plus d'1 m. Les distributions sont certes étalées, mais de type "normal biaisé", avec des moyennes témoignant de fissures ouvertes, de 12 cm à Bucy, 13 cm dans la grotte de l'Ours, 32 cm dans la grotte de l'Ermite et 30 cm pour la carrière de Ciry-Salsogne. Pour cette dernière, la distribution est plus étalée, avec des valeurs supérieures au mètre. Les fissures sont donc très larges et ouvertes, voire pénétrables dans certains cas, permettant l'observation des sables sous-jacents du Cuisien. Mais les fissures sont le plus souvent comblées (96 % des cas dans les trois carrières de Bucy-le-Long et 93 % à Ciry-Salsogne) de trois types de remplissage, témoignant chacun d'un processus différent (soutirage, fantômisation et sédimentation endokarstique).

Figure 8 - Distribution des largeurs des fissures dans les carrières de Bucy-le-Long et de Ciry-Salsogne.

Figure 8 - Distribution des largeurs des fissures dans les carrières de Bucy-le-Long et de Ciry-Salsogne.

37Le soutirage de la couverture (marnes vertes) se manifeste par des blocs hétérométriques de calcaires du Lutétien supérieur dans une matrice argileuse grise à verte. Il est facilité par l'ouverture des fissures et le tassement des "Marnes et caillasses" qui tombent par gravité dans les fissures où un "émoussage karstique" s'opère (J.C. PELLEGRIN et J.N. SALOMON, 2001)(Photo 1).

Photo 1 - Exemple de soutirage de la couverture de "Marnes et caillasses" du Lutétien supérieur par une fissure (Roucy, Aisne). [cliché : A. DEVOS]

Photo 1 - Exemple de soutirage de la couverture de "Marnes et caillasses" du Lutétien supérieur par une fissure (Roucy, Aisne). [cliché : A. DEVOS]

38À Ciry-Salsogne, les fissures les plus larges sont feutrées d'un sable argilo-siliceux brun-jaune décalcifié correspondant à une altérite de l'encaissant calcaire. Les analyses par diffractométrie de Rayons X et par calcimétrie réalisées sur le remplissage ont montré une nette diminution de la calcite de l'encaissant vers le centre de la fissure, où seul un "squelette" siliceux subsiste (C. SOSSON et al.,2011). La fissure est bordée par une frange d'altération de l'encaissant calcaire, de couleur orange, souvent accompagnée de calcaires cariés (Photo 2). Cette altération in situ ou "fantômisation", déjà mise en évidence par Y. QUINIF (1998), J. Rodet (1999) et Y. QUINIF et L. BRUXELLES (2011), affecte les calcaires lutétiens (A. Devos, 2010). Généralement, elle génère un primokarst, calé sur les fissures, dans lequel la mobilisation des altérites a permis aux eaux d'infiltration d'acquérir un cheminement organisé, de type endokarstique.

Photo 2 - Exemple de fantômisation développée le long d'une diaclase (Ciry-Salsogne, Aisne). [cliché : A. DEVOS]

Photo 2 - Exemple de fantômisation développée le long d'une diaclase (Ciry-Salsogne, Aisne). [cliché : A. DEVOS]

39Enfin, dans le Valois et le Soissonnais, certaines fissures, préalablement fantômisées, sont feutrées d'un remplissage de sable blanc azoïque lité en rythmites caractéristiques (Photo 3). Ces dernières se présentent sous la forme d'un remarquable litage de lamines fines (moins d'un centimètre) alternativement sablo-silteuses et argileuses. Les sables identifiés à la loupe binoculaire et au microscope électronique à balayage proviennent des Sables de Beauchamp (Bartonien inférieur) qui reposent normalement sur les "Marnes et caillasses" du Lutétien supérieur. Ces sables ont été remobilisés par la dynamique éolienne puis par le fonctionnement hydro-karstique (H. Alimen et M. Mercier, 1948 ; A. Devos, 2010) comme le montrent les marques observées en microscopie.

Photo 3 - Exemple de remplissage de fissure par des rythmites argilo-sableuses (Bonneuil-en-Valois, Oise). [cliché : C. SOSSON]

Photo 3 - Exemple de remplissage de fissure par des rythmites argilo-sableuses (Bonneuil-en-Valois, Oise). [cliché : C. SOSSON]

40Ces trois types de remplissage résultent de l'écartement des fissures. Ils témoignent d'une dynamique de détente liée à la proximité d'une vallée, dynamique propice aux processus per descensum.

IV - Discussion

41L'organisation spatiale des fissures affectant les calcaires lutétiens répond à la trame structurale, mais aussi aux contraintes de détente mécanique inhérente à l'incision d'une vallée. Une analyse détaillée et spatiale des contraintes tectoniques à l'échelle de la zone d'étude permettrait de mieux comprendre le rôle de la fracturation préexistante. L'hétérogénéité spatiale de la fracturation tectonique peut aussi conditionner la morphogénèse. Toutefois – si le traitement statistique de l'orientation des fissures ne permet pas de distinguer leur genèse – leur densité, leur largeur et leur type de remplissage témoignent de processus géomorphologiques associés à la détente mécanique de versant. Celle-ci se manifeste par des fissures (ou fentes de décollement) et par une extension latérale. Elle s'accompagne en outre d'anomalies de pendage, d'une cambrure de versant et de mouvements de terrain.

1 ) Des fentes de décollement

42En bordure des plateaux, les fissures rencontrées en carrières peuvent être assimilées à des fentes de décollement ou fissures de distension parallèles aux versants. Ce sont des diaclases souvent ouvertes, associées à des crevasses pouvant atteindre 3 m de large, avec un développement discontinu sous la forme d'un réseau de fissures d'une centaine de mètres de long. Elles sont reconnues par les spéléologues en surface et topographiées lorsqu'elles sont pénétrables. Les plus importantes sont localisées et topographiées dans la Banque de données du Sous-Sol du BRGM (BSS) et dans les inventaires spéléologiques (J.L. Albouy et al, 1980). Ces fentes débitent les couches géologiques sur la totalité de leur épaisseur et désolidarisent du massif des blocs soumis à la gravité et aux mouvements latéraux. Les indices de fracturation présentés ci-dessus montrent qu'elles présentent une densité diminuant fortement du versant vers le centre des plateaux.

2 ) Une extension latérale (ou "lateral spreading")

43Les blocs débités par la fissuration de détente mécanique ont tendance à basculer vers la vallée et à glisser, provoquant ainsi l'élargissement des fissures et un mouvement à composante plus horizontale que verticale. Cette dernière est néanmoins perceptible par l'enfoncement des blocs dans les sables sous-jacents. Dans le cas de l'Est de la France, les binômes de dureté des roches entretiennent plus particulièrement les mouvements d'extension latérale. Les couches calcaires cohérentes armant les revers de cuesta, reposent généralement sur des couches plus tendres. Selon le schéma de A. Cancelli et M. Pelligrini (1987), la fissuration engendre des blocs qui en s'enfonçant dans les formations meubles ou plastiques sous-jacentes, expulsent ces dernières vers l'extérieur, formant des bourrelets, et entre les blocs, favorisant ainsi l'extension latérale. Dans les plateaux des formations tertiaires (Tardenois), les "Calcaires grossiers" du Lutétien sont aussi affectés, car ils reposent sur les sables cuisiens. Ces processus sont observés et décrits par A. MARRE (1998). Ces mouvements d'extension latérale se retrouvent, au contact des calcaires bajociens, sur les argiles du Lias supérieur (marnes et schistes cartons du Toarcien), le long de la Côte de Moselle au sud de Metz et dans l'Auxois (J.F. INGARGIOLA et al.,1989). Les dolomies du Muschelkalk supérieur reposant sur les marnes gypsifères du Muschelkalk moyen ne sont pas épargnées par les mouvements d'extension latérale, observés à la frontière luxembourgeoise (M. Wagner, 2006).

3 ) Des anomalies de pendage et une cambrure de versant

44La décompression et l'appel au vide engendrent un fléchissement des couches géologiques, sans rupture, vers la vallée. Cela se traduit par des anomalies de pendage ou "faux pendages" (Photo 4), souvent inverses au pendage structural. Ce fléchissement génère des contraintes de tractions latérales dans les couches et des glissements de bancs sur bancs. L'écart entre les données des sondages géologiques et les altitudes des murs des couches affleurant dans les vallées témoigne effectivement de ce fléchissement. Dans les calcaires éocènes, M. LAURAIN et al. (1976) soulignent également "qu'il est fréquent de noter des variations de 5 à 10 m entre les données d'un sondage centré sur un plateau et les observations sur les rebords de celui-ci". Mais ils désignent ce phénomène par du "fauchage", terme pourtant inadapté puisqu'il n'y a pas de coupure ou de rupture dans la formation. J.C. Flageollet (1989) propose le terme de "fléchissement" (ou "gravitationnal sagging"). Les anglais décrivent ce phénomène dès 1945 sous l'appellation de "valley cambering", également observé dans les massifs travertineux développés sur argiles panoniennes près de Budapest (B. VAN VLIET-LANOË, 2005). Le facteur catalysant ce phénomène est la superposition d'une couche dure sur une couche argileuse. Le différentiel de ductilité provoque l'ouverture des fentes de distension, qui deviennent ainsi plus sensibles aux infiltrations. Selon B. Van Vliet-Lanoë (2005), le phénomène s'accélère en contexte périglaciaire, avec la glace de ségrégation qui s'accumule dans les fissures et abaisse la résistance au cisaillement. Les versants sont affectés d'un bombement caractéristique dans la zone supérieure du pergélisol au moment de son installation. Les mouvements de reptation du pergélisol accentuent la cambrure de versant vers la vallée en phase froide. Le retour à une phase tempérée se traduit par des glissements favorisés par l'ouverture des fissures et l'extension latérale.

45Des mesures de faux pendages ont été réalisées sur le terrain en carrières souterraines à Bonneuil-en-Valois, Branscourt, Hermonville et Ventelay, à partir de bancs repères (chailles, falun), au niveau de chantier (Tab. II et Photo 4).

Tableau II - Valeurs et orientations de faux pendages (α) en %, mesurées en carrières souterraines dans le Valois et le Tardenois.

Tableau II - Valeurs et orientations de faux pendages (α) en %, mesurées en carrières souterraines dans le Valois et le Tardenois.

Photo 4 - Exemple d'anomalie de pendage (Ventelay, Marne). [cliché : A. DEVOS]

Photo 4 - Exemple d'anomalie de pendage (Ventelay, Marne). [cliché : A. DEVOS]

46Ces valeurs montrent que le fléchissement des couches géologiques est bien trop important pour des calcaires peu ductiles. En réalité, dans le cas de matériaux cohérents, le fléchissement s'accompagne de fissures découpant des blocs qui basculent (topple) et/ou glissent. Les mesures de "faux pendages" sont généralement effectuées au travers de plusieurs blocs désolidarisés. B. Van Vliet-Lanoë (2005) voit également des failles ou une flexure tectonique parfois associées au "cambering". Le basculement engendre des fissures plus ouvertes au ciel des carrières qu'au banc de marche. Des mesures de largeur de fissures au toit et au plancher des galeries ont été réalisées à Ciry-Salsogne sur 118 diaclases. Les valeurs moyennes sont respectivement de 30 cm et de 17 cm, ce qui souligne le basculement des blocs vers le versant du fait de l'ouverture des fissures plus large au ciel de la carrière.

47Les blocs basculés s'accompagnent d'un enfoncement dans les sables,mis en évidence par des décalages ou rejets (r) des bancs repères, de part et d'autre des épontes, atteignant plusieurs décimètres, comme à Hermonville (r = 50 cm) ou à Ventelay (r = 40 cm) (Photo 5).

Photo 5 - Exemple de fissure ouverte, soutirant des argiles vertes provenant des "Marnes et caillasses", avec un rejet de 50 cm (Hermonville, Marne). [cliché : A. DEVOS]

Photo 5 - Exemple de fissure ouverte, soutirant des argiles vertes provenant des "Marnes et caillasses", avec un rejet de 50 cm (Hermonville, Marne). [cliché : A. DEVOS]

48La fracturation de détente mécanique, l'extension latérale, la cambrure de versant, l'enfoncement des blocs et leur basculement sont le préalable aux glissements à blocs sur les versants caractérisés dans le Tardenois (C. Sosson et al.,2011) et la Champagne-Ardenne (M. Van Den Eeckhautet al.,2010).

V - Conclusion

49À l'issue de cette contribution, il apparaît que la détente mécanique liée au creusement des vallées se manifeste par une fracturation dense parallèle au versant,déjà observée par de nombreux auteurs. Mais la démarche adoptée, souterraine et surtout statistique, nous permet de proposer des valeurs moyennes de densité de fracturation relativement fortes (distance moyenne entre deux fissures voisines de 8,6 m, densité moyenne de 0,15 fissure/m), qui cachent en réalité une importante variation spatiale en bordure des plateaux. La diminution de la densité de fracturation du versant vers le centre des plateaux, témoigne bien d'une fracturation de détente produisant des fissures de distension. Le réseau de fracturation dépend étroitement du contexte géomorphologique local. En effet, au droit des éperons et saillants de plateaux, dans les dépressions ouvertes creusées dans les versants et dans les vallons d'ordre 1, la fracturation est orthogonale. Elle débite et calibre alors des blocs de calcaires lutétiens qui se déplacent sur les sables cuisiens. Les versants des vallées libèrent des blocs préalablement préparés et calibrés par la fracturation de détente et l'extension latérale, à l'image des glaciers libérant des icebergs (vêlage). Ces blocs de taille décamétrique glissent ensuite sur les versants jusqu'au fond des vallées, tout en subissant un amenuisement, avant leur exportation par la dynamique fluviale.

50L'application de la démarche souterraine s'applique donc particulièrement bien aux problématiques géomorphologiques liées aux mouvements de terrain. Ces derniers, mis en évidence par A. MARRE (1998), M. Van Den EecKhaut et al. (2010) et C. Sosson et al. (2011), sont nombreux, voire localement coalescents, sur les versants des vallées traversant les plateaux des calcaires éocènes (Marne, Vesle, Aisne, Ardre). Mais si le rôle de la fracturation de détente mécanique est patent dans les mouvements de terrain translationnels de type "glissements à blocs", il est moins évident pour les glissements rotationnels. En effet, dans ce cas, la taille des blocs préparés reste trop faible comparée à celle des replats de glissement observés (M. Van Den EecKhaut et al.,2010).

51L'analyse statistique de la fracturation de détente permet également de mieux connaître la répartition spatiale de la perméabilité de fissures caractérisant les calcaires. À ce titre, elle peut être utilisée pour alimenter les modèles hydrogéologiques de recharge aquifère et de vulnérabilité à la pollution hydrique en proposant une frange plus perméable en bordure des plateaux. Ces modèles doivent également considérer le contexte géomorphologique local (éperon, vallon d'ordre 1, crête, etc.) qui conditionne non seulement l'organisation spatiale mais aussi la densité de la fracturation. En outre, la bordure des plateaux est le siège de circulations karstiques perchées, mises en évidence par des galeries de faible développement, souvent parallèles au versant et proches de la surface, d'où leur nom de grottes "cutanées" ou "interstitielles" (R. Ciry, 1959).

52L'étude de la répartition spatiale des fissures en carrières souterraines, associée à une analyse statistique, permet donc de multiples applications et s'inscrit dans de nombreuses problématiques géomorphologiques, karstiques et hydrogéologiques. Elle constitue également une formidable géothèque de faciès et de remplissages sédimentaires en cours et en devenir de recherche.

Remerciements : Les auteurs tiennent à remercier Guy LAUNAY, de l'Association "Roches et carrières", pour les nombreuses visites en carrières souterraines du Valois.

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Table des illustrations

Titre Figure 1 - Carte de localisation des carrières souterraines.
URL http://physio-geo.revues.org/docannexe/image/2819/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 1,7M
Titre Figure 2 - Typologie des sites géomorphologiques des carrières souterraines étudiées.
URL http://physio-geo.revues.org/docannexe/image/2819/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 192k
Titre Figure 3 - Paramètres fissuraux mesurés en carrières souterraines.
URL http://physio-geo.revues.org/docannexe/image/2819/img-3.jpg
Fichier image/jpeg, 184k
Titre Figure 4 - Exemples d'organisations spatiales de la fracturation dans les carrières souterraines selon les sites géomorphologiques – A : crêtes, B : vallée à tracé rectiligne, C : éperon, saillant, D : dépression ouverte inscrite dans le versant, E : vallon d'ordre 1, F : front de côte.
URL http://physio-geo.revues.org/docannexe/image/2819/img-4.jpg
Fichier image/jpeg, 472k
Titre Tableau I - Valeurs moyennes des densités de fissures (iF), des indices de compacité (iC) et de croisement (iR) selon le site géomorphologique des carrières souterraines.
URL http://physio-geo.revues.org/docannexe/image/2819/img-5.jpg
Fichier image/jpeg, 100k
Titre Figure 5 - Valeurs moyennes des indices de fracturation (iF) et de croisement (iR) selon le site géomorphologique des carrières souterraines.
URL http://physio-geo.revues.org/docannexe/image/2819/img-6.jpg
Fichier image/jpeg, 180k
Titre Figure 6 - Représentation des valeurs de l'indice de croisement (iR) en fonction de celles de l'indice de fracturation (iF).
URL http://physio-geo.revues.org/docannexe/image/2819/img-7.jpg
Fichier image/jpeg, 152k
Titre Figure 7 - Relations entre les valeurs de l'éloignement au versant (L) et celles 1/ du degré de fracturation (iF) et 2/ du degré de rapprochement des fissures (iC).
URL http://physio-geo.revues.org/docannexe/image/2819/img-8.jpg
Fichier image/jpeg, 192k
Titre Figure 8 - Distribution des largeurs des fissures dans les carrières de Bucy-le-Long et de Ciry-Salsogne.
URL http://physio-geo.revues.org/docannexe/image/2819/img-9.jpg
Fichier image/jpeg, 108k
Titre Photo 1 - Exemple de soutirage de la couverture de "Marnes et caillasses" du Lutétien supérieur par une fissure (Roucy, Aisne). [cliché : A. DEVOS]
URL http://physio-geo.revues.org/docannexe/image/2819/img-10.jpg
Fichier image/jpeg, 212k
Titre Photo 2 - Exemple de fantômisation développée le long d'une diaclase (Ciry-Salsogne, Aisne). [cliché : A. DEVOS]
URL http://physio-geo.revues.org/docannexe/image/2819/img-11.jpg
Fichier image/jpeg, 368k
Titre Photo 3 - Exemple de remplissage de fissure par des rythmites argilo-sableuses (Bonneuil-en-Valois, Oise). [cliché : C. SOSSON]
URL http://physio-geo.revues.org/docannexe/image/2819/img-12.jpg
Fichier image/jpeg, 200k
Titre Tableau II - Valeurs et orientations de faux pendages (α) en %, mesurées en carrières souterraines dans le Valois et le Tardenois.
URL http://physio-geo.revues.org/docannexe/image/2819/img-13.jpg
Fichier image/jpeg, 96k
Titre Photo 4 - Exemple d'anomalie de pendage (Ventelay, Marne). [cliché : A. DEVOS]
URL http://physio-geo.revues.org/docannexe/image/2819/img-14.jpg
Fichier image/jpeg, 256k
Titre Photo 5 - Exemple de fissure ouverte, soutirant des argiles vertes provenant des "Marnes et caillasses", avec un rejet de 50 cm (Hermonville, Marne). [cliché : A. DEVOS]
URL http://physio-geo.revues.org/docannexe/image/2819/img-15.jpg
Fichier image/jpeg, 274k
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Pour citer cet article

Référence papier

Alain Devos, Laurent Chalumeau, Nicolas Bollot, Christelle Sosson, Éléonore Barre, Olivier Lejeune et Geoffroy Gobancé, « Organisation spatiale de la fracturation de détente mécanique de versant en carrières souterraines. Application aux plateaux des calcaires éocènes du Bassin de Paris », Physio-Géo, Volume 6 | -1, 243-262.

Référence électronique

Alain Devos, Laurent Chalumeau, Nicolas Bollot, Christelle Sosson, Éléonore Barre, Olivier Lejeune et Geoffroy Gobancé, « Organisation spatiale de la fracturation de détente mécanique de versant en carrières souterraines. Application aux plateaux des calcaires éocènes du Bassin de Paris », Physio-Géo [En ligne], Volume 6 | 2012, mis en ligne le 12 décembre 2012, consulté le 27 mars 2017. URL : http://physio-geo.revues.org/2819 ; DOI : 10.4000/physio-geo.2819

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Auteurs

Alain Devos

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Courriel : alain.devos@univ-reims.fr

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Courriel : nicolas.bollot@univ-reims.fr

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Courriel : eleonore.barre@etudiant.univ-reims.fr

Olivier Lejeune

GEGENA2 - EA 3795, Université de Reims Champagne-Ardenne, Campus Croix-Rouge, 57 rue Pierre Taittinger, 51096 REIMS cedex.
Courriel : olivier.lejeune@univ-reims.fr

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