Faculté des sciences

Morphogenèse des vallées sèches du Jura tabulaire d'Ajoie (Suisse) : rôle de la fracturation et étude des remplissages quaternaires

Braillard, Luc ; Caron, Christian (Dir.) ; Monbaron, Michel (Codir.)

Thèse de doctorat : Université de Fribourg, 2006 ; no 1517.

Ce travail aborde la question de l'origine des vallées sèches du Jura tabulaire d'Ajoie (Suisse) sous un jour nouveau et multidisciplinaire, notamment grâce aux informations géologiques récoltées durant les vingt dernières années dans le cadre de la construction de l'autoroute A16. L'Ajoie, région clé du point de vue structural, constitue tout à la fois la terminaison orientale de la... Plus

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    Résumé
    Ce travail aborde la question de l'origine des vallées sèches du Jura tabulaire d'Ajoie (Suisse) sous un jour nouveau et multidisciplinaire, notamment grâce aux informations géologiques récoltées durant les vingt dernières années dans le cadre de la construction de l'autoroute A16. L'Ajoie, région clé du point de vue structural, constitue tout à la fois la terminaison orientale de la zone transformante Rhin-Bresse, la limite méridionale du Fossé rhénan, et la limite septentrionale du Jura plissé. Elle peut être subdivisée en quatre domaines morphostructuraux qui présentent chacun des morphologies de vallées sèches particulières, organisées selon des réseaux géométriques distincts. Une fois le cadre géomorphologique posé, les différentes hypothèses morphogénétiques proposées dans la littérature pour expliquer la formation des vallées sèches sont décrites et leur aptitude à expliquer la situation ajoulote est discutée. Il en ressort que l'hypothèse formulée par AUBERT (1969) semble la plus appropriée. Elle consiste à ramener la formation des vallées sèches à des ouvalas linéaires, c'est-à-dire des formes de dissolution au même titre que les dolines, mais qui auraient bénéficié d'un développement privilégié par la fracturation. Une analyse spatiale comparative détaillée entre micro-fracturation, macrofracturation et vallées sèches permet de confirmer en grande partie l'hypothèse d'Aubert. Toutefois, la relation qui s'établit entre fracturation et vallées sèches n'apparaît qu'en combinaison avec un autre paramètre: celui de la direction des écoulements (superficiels et hypodermiques). C'est elle qui, associée à la fracturation, a guidé la progression de la dissolution et a conduit, par coalescence de dolines alignées en chapelets, à la formation des vallées sèches. Dans ce contexte, les grands accidents kilométriques qui tronçonnent l'Ajoie ont joué un rôle déterminant sur l'orientation des vallées sèches. Toutefois, le rôle des micro-fractures a pu être clairement démontré: organisées en réseau dense, ce sont elles qui forment en fait les grands accidents kilométriques reportés sur les cartes géologiques. L'importance des phénomènes structuraux est ainsi relevée puisque ce sont eux qui ont déterminé 1) le relief; 2) la direction des écoulements; 3) le gradient hydraulique nécessaire à la karstification et 4) le réseau de fractures exploité par la karstification en fonction de 2). L'étude de photos aériennes a permis de confirmer le lien entre fractures et dolines, et a mis en évidence de façon particulièrement nette le processus de formation des vallées sèches par karstification. En partant du constat que les vallées sèches procèdent pour l'essentiel d'une genèse karstique, il est possible de déduire de leur agencement des principes de karstogenèse: dans les situations à faible gradient hydraulique (plateaux calcaires au relief peu marqué), les grands accidents tectoniques jouent le rôle de drains collecteurs le long desquels opère la karstification. Par contre, le fort gradient hydraulique qui marque les zones au relief plus accidenté, telles que les bords d'un plateau calcaire entaillé par un canyon par exemple, favorisera la karstification le long des fissures qui lui sont subparallèles, sans tenir compte de leur densité. Ainsi, des systèmes de fractures de forte fréquence, mais de directions par trop divergentes de celle du gradient hydraulique, seront délaissés par l'érosion chimique au profit de discontinuités peut-être faiblement exprimées, mais orientées parallèlement aux écoulements karstiques. La disposition des galeries des deux rivières souterraines de la région (Milandrine et Ajoulote) par rapport aux fractures vient confirmer les principes émis ci-dessus. Sur la base d'une démarche intégrée, comprenant des données stratigraphiques, tectoniques et karstologiques, une reconstitution de l'évolution des reliefs et des rivières en Ajoie est proposée. De l'Eocène à aujourd'hui, cinq phases morphogénétiques se sont succédées: 1) soulèvement à l'Eocène supérieur, création de légers bombements et phase de karstification; 2) création de petits fossés d'effondrement à l'Oligocène inférieur; 3) soulèvement régional au Miocène inférieur, responsable d'un important hiatus sédimentaire et probablement d'une seconde phase de karstification; 4) plissement du Jura et soulèvement du plateau de Bure, au Miocène supérieur, correspondant à la phase principale de morphogenèse. A partir de la mise en place de ces deux grandes structures, le gradient hydraulique conduit à une intense phase de karstification qui modèle le réseau actuel des vallées sèches en surface et celui des rivières souterraines en profondeur (Milandrine, Ajoulote pro parte); 5) création d'anticlinaux disposés en échelons dans le Jura tabulaire. Cette phase tardive plio-pléistocène est suivie d'une ultime phase de karstification et donne au réseau de drainage superficiel son allure actuelle. Si le drainage des parties hautes de la région (plateau de Bure, contreforts du Jura plissé) était probablement karstique dès le Pliocène moyen, un cours d'eau que nous avons appelé "La Bruntrutaine" a perduré dans la vallée sèche principale de la Haute-Ajoie jusqu'au début du Pléistocène supérieur. Sa disparition a probablement résulté de l'action combinée d'une chute du niveau de base (déclenchée par un soulèvement tectonique) et de la capture de l'Allaine qui se dirigeait auparavant vers la Vendline, puis la Coeuvatte, sans passer par Porrentruy. L'étude stratigraphique détaillée des remplissages quaternaires, centrée sur la vallée sèche de la Haute- Ajoie dans les environs du Creugenat, a permis un découpage chronostratigraphique des dépôts en dix ensembles (E1 à E10). Des graviers fluviatiles (E9, E5) constituent systématiquement la base du comblement. Ils témoignent d'un système de drainage fossile assuré par des rivières tressées au caractère torrentiel, actives durant le Glaciaire ancien weichsélien (à la faveur d'une péjoration climatique), ainsi qu'au Pléniglaciaire supérieur (alors que le blocage de l'écoulement karstique par le gel favorisait les écoulements superficiels). Une nappe de solifluxion attribuée au Pléniglaciaire inférieur weichsélien (E8) ou des loess ruisselés datés par OSL du Pléniglaciaire moyen (E6/7) sont intercalés entre ces deux corps de graviers. Les sédiments holocènes (E1 à E4) ont enregistrés quant à eux cinq épisodes fluviatiles. La corrélation de quatre d'entre eux avec des périodes de hauts niveaux des lacs jurassiens suggère qu'un contrôle climatique (augmentation des précipitations) est à l'origine de ces reprises temporaires de l'écoulement superficiel. L'observation systématique de la géométrie et de l'état d'altération du toit du rocher, complétée par des données géophysiques (VLF-RMT), montre que, dans cette partie basse du système, l'érosion fluviatile a participé au façonnement des vallées sèches sans toutefois surcreuser leur fond. Les vallées sèches situées en position géomorphologique élevée, sur le plateau de Bure, n'ont par contre gardé aucune trace de système fluviatile pérenne. En conclusion, les résultats des différentes approches mises en oeuvre permettent de proposer un schéma synthétique de la formation des vallées sèches du Jura tabulaire d'Ajoie. Ce schéma fait intervenir deux processus érosifs: la karstification et l'érosion fluviatile qui peuvent agir tant alternativement que simultanément, et dont l'activation, l'augmentation, la diminution ou l'arrêt sont gérés par trois paramètres: la tectonique, la lithologie et le climat. L'intensité relative des processus impliqués et les rôles respectifs des paramètres varient selon les compartiments morphostructuraux et les périodes de temps considérées. Il est dès lors impossible de proposer un modèle de morphogenèse unique, valable pour toutes les vallées sèches du Jura tabulaire d'Ajoie. Toutefois, dans leur grande majorité, elles peuvent être ramenées à des sillons tectono-karstiques résultant d'une fragilisation primaire d'origine tectonique, exploitée et agrandie postérieurement par le double jeu de la dissolution karstique (processus prépondérant) et du déblaiement fluviatile (processus accessoire).
    Zusammenfassung
    Diese Arbeit behandelt die Entstehung der Trockentäler des Tafeljuras in der Ajoie (Schweiz) aus einer neuen und multidisziplinären Sicht, insbesondere dank der geologischen Informationen, die während der letzten zwanzig Jahre im Rahmen des Baus der Autobahn A16 gesammelt wurden. Nach der Präsentation des geomorphologischen Rahmens werden die in der Literatur beschriebenen morphogenetischen Hypothesen zur Entstehung der Trockentäler vorgelegt und diskutiert. Eine vergleichende räumliche Analyse zwischen Bruchsystemen (Mikro- und Makro-) und Trockentälern erlaubt, die tektono-karstische Hypothese von AUBERT (1969) grösstenteils zu bestätigen: die Trockentäler können als lineare Uvalas betrachtet werden, das heißt Auflösungsformen wie Dolinen, die sich entlang von Bruchsystemen entwickelt haben. Allerdings kommt der Zusammenhang zwischen Verlauf der Trockentäler und Bruchsystemen lediglich in Kombination mit einem weiteren Parameter zum Ausdruck: der Abflussrichtung. Die Analyse von Luftbildern hat es erlaubt, die Verbindung zwischen Brüchen und Dolinen zu bestätigen und hat den Bildungsvorgang der Trockentäler durch Verkarstung deutlich hervorgehoben. Ausgehend von der Feststellung, dass die Trockentäler hauptsächlich aus Verkarstungsvorgängen hervorgehen, ist es möglich, aufgrund ihrer Anordnung Grundsätze zur Karstgenese abzuleiten: bei geringem hydraulischem Gradienten spielen die grossen tektonischen Störungen die Rolle von Drainagesammlern, entlang derer die Verkarstung stattfindet. Dagegen begünstigt ein starker hydraulischer Gradient, der die Zonen mit ausgeprägtem Relief kennzeichnet, die Verkarstung entlang von Brüchen, die parallel zum Gradienten verlaufen, unabhängig ihrer Dichte. Die Anordnung der Galerien zweier unterirdischer Flüsse (Milandrine und Ajoulote) im Verhältnis zum Verlauf der Brüche bestätigt diese Grundsätze. Basierend auf einem integrierten methodischen Vorgehen, das stratigraphische, tektonische und karstologische Daten erfasste, wurde die Entwicklung des Reliefs und der Flüsse in der Ajoie rekonstruiert. Vom Eozän bis heute lassen sich fünf morphogenetische Phasen fassen. Die vierte und wichtigste Phase entspricht der Jurafaltung und der Hebung des Plateau von Bure im späteren Miozän. Diese zwei großen Strukturen führten zur Ausbildung des hydraulischen Gradienten und zu einer starken Verkarstung, die das heutige Netz der Trockentäler und jener der unterirdischen Flüsse modelliert hat. Eine spätere Phase folgte im Plio-Pleistozän und verlieh dem oberflächlichen Abflussnetz seinen heutigen Verlauf. Die detaillierte Untersuchung der quartären Talfüllungen erlaubte eine chronostratigraphische Gliederung der Ablagerungen in zehn Einheiten. Fluviatile Kiese bilden systematisch die Basis der Talverfüllungen. Dies zeugt von einem fossilen Abflusssystem, das während des Weichselfrühglazial (Frühwürm, IS 5a-d) sowie im Verlauf des Oberen Pleniglazials (IS 2) aktiv war. Lösse, die anhand von OSL-Messungen ins Mittlere Pleniglazial (IS 3) datiert wurden, sind zwischen diesen zwei Kieskörpern eingeschaltet. In den holozänen Sedimenten haben sich fünf fluviatile Epsioden niedergeschlagen, wobei vier dieser Ereignisse mit Seespiegelhochständen der Juraseen korrelieren. Dies könnte auf klimatische Ursachen zurückzuführen sein (Zunahme der Niederschläge). Zum Schluss wird ein synthetisches Schema der Entstehung der Trockentäler in der Ajoie entworfen. Es impliziert zwei Erosionsvorgänge (Verkarstung und fluviatile Erosion), die durch drei Parameter (Tektonik, Lithologie, Klima) gesteuert wurden. Die relative Intensität der implizierten Vorgänge und die jeweiligen Rollen der Parameter variieren je nach morphologischen Kriterien im Verlauf der verschiedenen Perioden. Die Mehrzahl der Trockentäler können jedoch als ursprüngliche tektonische Schwächezonen angesehen werden, die durch Verkarstung (hauptsächlicher Prozess) und fluviatilen Abtrag (untergeordneter Prozess) angelegt und erweitert wurden.
    Summary
    This work tackles the origin of the dry valleys of the tabular Jura of Ajoie (northwestern Switzerland) according to a new and multidisciplinary approach, in particular thanks to the geological information collected during the last twenty years in relation with the construction of the highway A16. Once the geomorphological framework has been set, the various morphogenetic hypothesis found in the literature to explain the formation of the dry valleys are described and discussed. A comparative spatial analysis between micro-fracturing, macro-fracturing, and dry valleys confirms the tectono-karstic hypothesis of AUBERT (1969): dry valleys should be considered as linear uvalas, i.e. forms of dissolution similar to dolines, but that developed according to fracturing directions. However, the relation between dry valleys and fracturing is expressed only in combination with another parameter: the drainage direction. The study of aerial photographs has confirmed the link between fractures and dolines, and clearly illustrates the process of the dry valleys formation by karstification. Assuming that dry valleys have a karstic origin, it is possible to deduce karstogenesis principles from the geometry of their patterns: in situations of low hydraulic gradient, the great tectonic faults play the role of collecting drains along which karstification operates. On the other hand, the strong hydraulic gradient which marks the zones with steeper topography favors the karstification along the fissures which are subparallel to the drainage direction, without taking into account their density. The layout of the galleries of the two underground rivers of the area (Milandrine and Ajoulote) in comparison with the fractures patterns confirms these principles. Based on an integrated approach, including stratigraphic, tectonic and karstologic data, a reconstitution of the evolution of reliefs and rivers in Ajoie is then proposed. From the Eocene till now, five morphogenetic phases were recognized. The fourth and most important one corresponds to Jura folding and Bure plateau uplift, in late Miocene. Since the formation of these two structures, the hydraulic gradient has led to an intense phase of karstification which has modeled the present network of dry valleys and underground rivers. It was followed by a late plio-pleistocene phase which has given its current shape to the surface drainage. The detailed stratigraphic study of the quaternary fillings has allowed to establish a chronostratigraphic subdivision of the deposits in ten units. Fluviatile gravels constitute systematically the base of the fillings. They testify to a fossil drainage system, active during the Weichselian Early Glacial (OIS 5a-d) as well as Late Pleniglacial (OIS 2). OSL-dated Middle Pleniglacial loess (OIS 3) are intercalated between these two gravel bodies. Five fluviatile episodes have been found in the Holocene sedimentary record. The correlation of four of them with periods of high lake level in the Jura suggests that a climatic control (increase in precipitations) is responsible for these temporary reactivations of the superficial drainage. In conclusion, a synthetic diagram of the formation of the dry valleys of Ajoie is proposed. It implies two erosive processes (karstification and fluviatile erosion) which are controlled by three parameters (tectonics, lithology, climate). The relative intensity of the processes and the role of the parameters vary according to the morphostructural compartments and to the periods considered. However, in their majority, the dry valleys can be considered as tectono-karstic furrows resulting from a primary tectonic embrittlement, exploited and subsequently increased by karstic dissolution (main process) and fluviatile erosion (accessory process).