Palaeoenvironmental assessment of Westphalian fluvio-lacustrine deposits of Lorraine (France) using a combination of organic geochemistry and sedimentology

Stephanie Fleck, Raymond Michels, Alain Izart, Marcel Elie, Patrick Landais

International Journal of Coal Geology, Vol. 48, pp. 65-88, 2001

https://doi.org/10.1016/S0166-5162(01)00048-9

Pour citer cet article :
Fleck, S., Michels, R., Izart, A., Elie, M., & Landais, P. (2001). Palaeoenvironmental assessment of Westphalian fluvio-lacustrine deposits of Lorraine (France) using a combination of organic geochemistry and sedimentology. International Journal of Coal Geology, 48(1-2), 65-88.

Introduction

Le bassin de charbon de Lorraine s'étant sur une large zone géographique : 140 km de long pour 70 km de large, dans le nord-est de la France (Figure 1). Ce bassin est une extension du bassin de Saar, en Allemagne, où les formations carbonifères sont exposées.

Figure 1 : Localisation du bassin de charbon de Lorraine (Fleck et al., 2001)

Durant le Carbonifère, plusieurs zones fluvio-limniques se sont développées, favorisant la formation de sédiments charboneux. Ces sédiments représentent aujourd'hui d'importantes ressources de charbon. Plusieurs études (van Krevelen, 1981 ; Stach et al., 1982) montrent que les charbons du Carbonifère sont issus de forêts luxuriantes et marécageuses boisées avec des arbres tels que le Lepidodendron et Sigillaria (Figure 2a et 2b), Calamites (Figure 3) et des fougères (Stach et al., 1982 ; Ligouis & Doubinger, 1991 ; Karayigit & Köksoy, 1993 ; Falcon-Lang, 1999).

Figure 2a : Lepidodendron (Wikipedia Common, Heimans, XIXe siècle)

Figure 2b : Photographie d'empreintes fossiles de Sigillaria et Lepidodendron (RomanK, TheFossilForum)

Figure 3 : Calamites (par Falconaumanni, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons)

 Contexte géologique

La formation du bassin de charbon carbonifère de Lorraine (Figure 4) a commencé après la phase orogénique varisque des Sudètes et s'est terminée avec la phase orogénique saalienne. Toute la zone varisque nord a été affectée par une tectonique tangeantielle (Nord-Sud/Nord-Ouest - Sud-Est) qui a généré une structure en feuillets anté-permienne. Les séries carbonifères constituent un grand synclinal, comprenant plusieurs anticlinaux dotés d'élongations Nord-Est - Sud-Ouest (Donsimini, 1981). La zone hercynienne externe cristalline est une zone étendue durant le Carbonifère supérieur, permettant la sédimentation dans des environnements limniques/estuariens (Donsimoni, 1981).

Dans la partie sud, des lits fluviaux épais de brèche et de conglomérats sont interprétés comme ayant été déposés dans des éventails alluviaux d'un système de rivière en tresse associé à une succession de dépôts de rivière en tresse et de lagune (alternance de conglomérat, de grès et d'argilites) (Heckel, 1988).

Dans le centre du bassin de Lorraine, des niveaux épais d'argilites (>50 m) considérés comme issus d'un environnement fluvial distal sont interprétés comme de grands dépôts d'inondation lacustres profonds. Les dépôts de grès sont interprétés comme issus d'environnement plutôt deltaïques, moins profonds.

Figure 4 : Coupe géologique du bassin de Lorraine (source : Le Bassin parisien, un nouveau regard sur la géologie (2015). Coordinateurs: Jean Pierre Gély et Franck Hanot. Edition: Association des Géologues du Bassin de Paris. 230p.)

 Résultats

Les faciès sédimentaires de la carotte issue du puits de forage de Saulcy sont présentés en Figure 5. Les différents faciès présentés sont décrits en Figure 6.

Figure 5 : Séquence synthétique des faciès sédimentaires observés dans le puits de forage de Saulcy.

Figure 6 : Caractéristiques et interprétations environnementales des faciès fluvio-limniques identifiés dans le puits de forage de Saulcy, dans le bassin de charbon de Lorraine (cet article, Fleck et al., 2001).

 Discussion - Modèle paléoenvironnemental

Les conditions environnementales enregistrées montrent une grande variabilité par une alternance entre des environnements allant du chenal fluvial à un grand marécage ou encore à une plaine d'inondation.

Les données géochimiques

Les plantes en C₂₉ stérane sont interprétées comme correspondant à la matière organique terrestre vasculaires (e.g. Waples & Machihara, 1991). Les données en C₂₇ et C₂₈ stéranes sont interprétées comme issues d'algues en environnement lacustre (Nishimura, 1977). Traditionnellement, les environnements lacustres sont plus riches en C₂₈ stéranes (Huang & Meinschein, 1976). Dans le puits de forage de Saulcy, la faible abondance de C₂₈ stérane suggère l'absence de zooplancton et phytoplancton d'environnement lacustre profond, probablement en raison de condition peu profondes à marécageuses.

Dans le cas des diterprénoïdes, il existe 20 classes de structures squelettiques. Les terpanes tricycliques et tétracycliques des classes C₁₉ et C₂₀ sont connus pour être associés à des plantes résineuses (telles que les conifères) et à des tissus de soutien (Thomas, 1969 ; Philp et al., 1981 ; Grimalt et al., 1988 ; Disnar & Harouna, 1994 ; Philp, 1994). Dans le cas du puits de Saulcy, trois groupes de diterpanes sont identifiés :

• Groupe I : correspond à la matière organique dérivée des précurseurs de gymnospermes, comme cordaïtales.
• Groupe II : correspond majoritairement à des bryophytes et à des ptéridophytes.
• Groupe III : correspond à un mélange entre les groupes I et II.

 Les données sédimentaires

Les échantillons sédimentaires montrent des alternances de grès, siltites, argilites, donc des alternances de périodes avec des sables, des silts ou des argiles, ce qui montre une variation des environnements de dépôts : les sables se déposent dans des environnements plus dynamiques, comme les fonds de rivières, les chenaux. Les silts se déposent dans des environnements plus calmes bien que soumis à des courants, comme dans les zones des lobes, les levées de chenaux, ou encore des évasements de crevasse. Enfin, les argiles, qui sont des sédiments très fins, se déposent essentiellement dans des zones stagnantes, comme dans les marécages et les plaines d'inondation.

De nombreux débris végétaux sont présents dans les sédiments, ce qui témoigne d'une végétation luxuriante, abondante, bien que très variable : un ensemble de végétaux supérieurs, donc dotés de tiges et de tissus résistants, capables de former des troncs, et des végétaux inférieurs, plus petits, herbacés, petites fougères, etc. Les données géochimiques montrent également que des planctons d'eau peu profonde sont présents, ce qui témoigne de conditions humides à lacustres.

De l'ensemble de ces informations, il est possible de reconstruire le bloc diagramme paléoenvironnemental présenté ci-dessous :

Conclusions

Les analyses sédimentologiques du puits de forage de Saulcy indiquent un environnement ayant évolué d'un environnement de chenal à une plaine d'inondation ou à un marécage, l'ensemble représenté par des petites séquences recouvrant 1 200 m d'épaisseur.

La difficulté dans les interprétations tient à l'absence d'affleurement, qui ne permet pas de voir les structures sédimentaires. Le forage est nécessaire pour traverser les faciès sédimentaires et les identifier. L'association des données géochimiques et sédimentaires a été un vrai atout pour l'amélioration de la reconstitution paléoenvironnementale et paléoécologique de la zone.

Les données montrent que les végétaux supérieurs qui se sont développés sont tombées et ont été enfouis dans des conditions oxiques, avec un système bactérien actif (pour en savoir plus, lire l'article synthétisé ici).