Contexte géologique et hydrologique local

Les anciens travaux miniers

Le district minier de Sainte-Marie-aux-Mines, dont les premières traces d’exploitation datent du Xesiècle est un des plus importants districts argentifères de France (Fluck, 1986). L’exploitation des mines s’y est poursuivie jusqu’au XXe siècle. L’ampleur de ces travaux miniers est impressionnante, les archéologues miniers dénombrent ac- tuellement plus de 1000 entrées de galeries et orifices de puits. Les filons se sont constitués à partir de fractures préexistantes dans les gneiss pré-cambrien, l’ouver- ture de ces fractures ayant été favorisée par la rigidité relative des gneiss (Fluck, 1986). Ensuite, six phases de dépôts hydrothermaux se sont succédées pour créer les différentes veines métalliques exploitées (cuivre, plomb, arsenic et argent), dans une gangue siliceuse et/ou carbonatée.

Filon de la colline du Herrshaft

Le filon mis en place dans la colline du Herrschaft constitue la partie la plus orientale du système d’intrusion de Sainte-Marie-aux-Mines. Il se présente comme un réseau filonien multiple à veines minéralisées de 50 cm en moyenne de puissance. De lon- gueur kilométrique et de direction ouest-nord-ouest, le filon a été largement exploité dès le Moyen Age (XV Ie et XV I Iesiècles), période durant laquelle il a été exploré en surface et en profondeur. Il a été ré-exploité par les Allemands au début du XXe_siècle.

118 Chapitre 6. Couplage Hydrologie - géodésie sur le site de Sainte-Croix-aux-Mines

Fig. 6.2 – Vue de haut du site, superposé à la carte topographique de l’IGN. Les lignes noires indiquent les galeries de mine, leurs entrées étant symbolisées par des flèches (WilhelmStollen, Musloch, Saint Jean et Stimbach). Sont également indiqués les pingen, les haldes (heap, déblais miniers, indication en surface d’exploitation en profondeur non connue). Les inclinomètres longue base sont indiqués par des lignes bleues. La ligne rouge correspond au profil électrique. A la sortie de la mine WilhelmStollen sont installées la mesure de débit de la mine et une station météorologique à 50 m au sud-ouest de cette entrée.

Les inclinomètres ont été installés dans la mine WilhelmStollen qui a été creusée par les Allemands au début du XXesiècle afin d’atteindre le filon minéralisé. Le profil du travers-banc1

est ainsi très rectiligne, et rencontre le filon orthogonalement 500 m après l’entrée, juste quelques mètres au dessus des galeries du XV I Ie siècle (voir la figure 6.2). La superposition des galeries aux différentes profondeurs, ainsi que la position des pingen2

montrent que le pendage du filon est de l’ordre de 70˚ dans la partie est (voir figure 6.2). Le profil électrique (voir figure 6.4) montre tout de même que son pendage devient sub-vertical dans la partie ouest.

A noter que la carte 6.2 a pu être obtenue grâce à la qualité exemplaire des relevés topographiques pratiqués dans les travaux miniers dès le XV I Ie _{siècle, mais égale-} ment grâce à l’ensemble des travaux bibliographiques de l’archéologue minier Pierre Fluck (1986). La connaissance du terrain de Thierry Vincent a également été un atout pour redécouvrir des structures cachées ou invisibles. Les positions GPS des trois entrées des mines principales (Stimbach, WilhelmStollen et Musloch) ont permis de recaler les structures minières sur la carte topographique IGN au 1/25000e avec une précision horizontale meilleure que 10 m sur la position des entrées. L’orientation du nord à été conservée à moins de 2˚, l’échelle à mieux de 5%.

Au point de vue hydrologique, les exploitations de surface et souterraines sont autant de chemins privilégiés pour l’infiltration de l’eau de surface dans la fracture. En particulier, Bucking (1913) décrit des dépilages anarchiques dans la mine Musloch,

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Travers-banc : galerie non productive, creusée dans la roche mère, permettant d’atteindre un filon minéralisé

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6.1. Échelle locale : déformation de fracture 119

qui sont susceptibles de communiquer avec des pingen en surface. Aucune infiltration majeure n’est à noter dans le travers-banc.

Comportement hydrologique

L’alimentation en eau de ces fractures est liée à la pluie. Celle-ci est redistribuée par les sols au sommet de la colline (la zone est relativement plate) entre ruissellement, évapotranspiration et infiltration dans la fracture.

En contexte métamorphique, Lachassagne et al. (2001) et Wyns et al. (2004) ont mis en place des considérations générales sur le comportement des différentes couches al- térées (voir figure 6.1.1). Ces considérations ont été raffinées à l’aide de prospections de géophysique de subsurface et notamment un profil de résistivité (voir figure 6.4). Sur cette figure est dessinée la résistivité inversée d’un profil de 384 m. La configura- tion utilisée est une combinaison avant et arrière d’un dispositif pôle-dipôle ayant un espacement de 4 m.

Fig. 6.3 – Modèle géologique de Wyns et al. (2004), mettant en place la structuration verti- cale du profil d’altération d’une roche métamor- phique. Ils distinguent la zone altérée constituée d’arène très poreuse (qui se comporte comme un aquifère capacitif) qui surmonte une zone fractu- rée (aquifère transmissif). Les roches peuvent être considérées comme saines (non altérées par l’eau) approximativement 60 m sous la surface. Seule la fracturation d’origine tectonique demeure en- dessous.

Les 10 à 20 premiers mètres de sol sont de l’arène (pratiquement du sable). En supposant que la base de l’arène est saturée, la loi d’Archie (1942) permet d’estimer la porosité à 20%. A noter qu’il s’agit d’une valeur minimale dans le cas où la base de l’arène n’est pas saturée. Par conséquent, cette couche se comporte comme un aquifère capacitif et peut stocker une lame d’eau de 200 mm par mètre de sol. Le profil électrique montre également une zone de 20 m de large, totalement altérée, juste au-dessus de la fracture principale. Cette zone particulière constitue un chemin d’infiltration privilégié pour l’eau vers la base de la fracture.

La galerie à l’intérieur de la veine draine une quantité importante d’eau qui goutte de la fracture. Cette eau est évacuée vers l’entrée de la mine où le débit est mesuré. Le système de mesure et sa calibration sont décrits en annexe C page 241.