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Karstification et capture de la Moselle (Lorraine, France) : vers une identification des interactions
Benoît Losson
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Benoît Losson. Karstification et capture de la Moselle (Lorraine, France) : vers une identification des interactions. Sciences de la Terre. Université Paul Verlaine - Metz, 2003. Français. �NNT : 2003METZ009L�. �tel-01749882�
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Centre d'Etudes Géographiques de I'Université de Metz - Laboratoire de Géographie physique
KARSTIFICATION ET
CAPTURE DE LA MOSELLE (Lorraine, France) : VERS UNE IDENTIFICATION DES INTERACTIONS
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Benoît LOSSON
pou,.out.Ilf;,iilîffi Iii's::i,'"iffi î"ï,îi j1,?l0.3o.po,ea",
Jeannine CORBONNOIS : Professeur à I'Université de Metz (directrice) Jean-Jacques DELANNOY : Professeur à I'Université de Savoie (co-directeur) Dominique H|LM_IND : Maître de.Conferences à I'Université de Nancy 2 (examinateur)
BrBLrorHEouE 'NIVERSTTATRE DE .irErz
'olytechnique de Mons (rapporteur)
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Photo de couverture : Portique de la Grotte Sainte-Reine.
Toile orieinale de Anne GAI|I{EZ
PREF'ACE ET REMERCIEMENTS.
Le travail présenté ici est le résultat de plusieurs années de recherches, depuis ce 20 octobre 1994, au début de ma maîtrise, où j'ai choisi de me lancer dans I'aventure géomorphologique et spéléologique du plateau central de Haye. Ce sujet d'étude, original par rapport à la spécialité hydrologique du Laboratoire de Géographie physique du CEGUM (Centre d'Etudes Géographiques de I'Université de Metz), m'a été proposé par Patrice Gamez.
La passion de cet enseignant pour la karstologie a rencontré mon vif intérêt pour ce thème, et la géomorphologie en général. Une initiation spéléologique dans la Diaclase d'Audun-le- Tiche, sous la houlette de Stéphane Jaillet, avait déjà ouvert une " brèche " quelques mois auparavant.
J'ai d'abord découvert un terrain de recherche passionnant, sous terre comme en surface, où la nature a pu garder quelques droits, malgré la proximité de nombreuses agglomérations (dont Nancy et Toul principalement). J'ai en outre pu côtoyer Patrice Gamez de manière plus personnelle et apprécier pleinement ses qualités de chercheur-géographe.
Pour m'avoir initié à la karstologie et dirigé cinq années durant dans mes recherches, j'ai pu mesnrer sa grande disponibilité, jusqu'à son décès si brutal le lt'décembre 1999, qui m'aura empêché de le remercier sincèrement pour tous ses apports.
Après donc une maîtrise et un DEA consacrés principalement à I'apprentissage des décryptages spéléomorphologiques (lors de multiples sorties et stages organisés par Jean- Pierre Beaudoin, Alain Devos, Patrice Gamez et Stephane Jaillet) et des techniques sédimentologiques (avec Dominique Harmand, au Laboratoire de Géographie physique de I'Université de Nancy 2),le souhait de poursuivre et d'approfondir ces recherches au cours d'une thèse de doctorat s'est imposé.
Plus longue que prévue et entrecoupée d'événements marquants, cette recherche m'a semblé multiple. Trois phases principales peuvent être dégagées :
- de 1997 à 1999, les prospections de surface, les travaux de tenassement dans les cavernes ou à leurs entrées, les mesures spéléomorphologiques et les analyses sédimentologiques en laboratoire ont occupé I'essentiel de mon temps, en parallèle avec les recherches bibliographiques. C'est également la période de direction de mon travail par Patrice
Gatnez, et d'enrichissement de mes connaissances sur les karsts en général et ceux de Lorraine en particulier (participation à des colloques, nombreuses sorties régionales) ; - en 2000 et 2001, alors que la direction de mes recherches est reprise en main par Jeannine
Corbonnois, commence la phase de rédaction. Celle-ci est très lente, en raison de la réalisation de mon Service National en tant qu'objecteur de conscience (17 mois) et de nouvelles investigations de terrain concernant les formations superficielles (mises en évidence par les chablis dus à la tempête de décembre 1999). Ces travaux supplémentaires rentrent également dans le cadre de la participation du CEGUM à un contrat ANDRA (Agence Nationale pour la gestion des Déchets RAdioactifs - responsable scientifique du contrat : Jacques Brulhet), en collaboration avec d'autres laboratoires universitaires (G2R- Géologie et Gestion des Ressources minérales et énergétiques- de Nancy 1, Institut de Géographie de Nancy 2, GREURCA - Groupe de Recherche sur I'Erosion de I'Université de Reims Champagne-Ardenne - de Reims) ;
- enfrn, les années 2002 et 2003 constituent la principale période de rédaction et de
" soumission " à I'ordinateur.
Malgré quelques lassitudes inévitables, mon intérêt pour les sujets d'étude est resté constant tout au long de la recherche.
Ce cheminement a été guidé et soutenu par de nombreuses personnes que je tiens ici à remercier, et en priorité, mes deux directeurs de thèse :
- Jeannine Corbonnois, Professeur de géographie à I'Université de Metz et directrice du CEGUM, a patiemment relu et conigé mon travail et m'a permis d'élargir mon champ de vision, tout en me laissant une grande liberté de recherche ;
- Jean-Jacques Delannoy, Professeur de géographie à I'Université de Savoie, qui a accepté de prendre le relais de Patrice Gamez pour tous les aspects karstologiques de ma thèse, a apporté ses avis éclairés sur tous les thèmes traités.
Merci également aux autres membres du jury, pow I'honneur qu'ils me font en acceptant de consacrer de leur temps à I'appréciation de cette recherche :
- Dominique Harmand, Maître de Conferences en géographie à I'Université de Nancy 2, a procédé à une lecture soigneuse de I'ensemble de ce mémoire, qu'il a enrichi de ses conseils avisés, notamment comme spécialiste des formations alluviales et des captures de I'est du Bassin parisien ;
- Yves Quinil Professeur de géologie à la Faculté Polytechnique de Mons (Belgique), rapporteur de ce travail. Spécialiste du karst, ouvert à de multiples approches scientifiques (géochimie, géologie, géomorphologie), je lui dois des interprétations fondamentales relatives à mon étude, notamment dans le chapitre D( ;
- Jean-Noël Salomon, Professeur de géographie à I'Université Michel de Montaigne de Bordeaux 3, géographe-karstologue réputé et ancien président de I'AFK (Association Française de Karstologie). Sa participation au jury s'inscrit dans la droite ligne de son suivi du travail de Patrice Garnez, au moment de son décès, pour I'Habilitation à Diriger des Recherches;
- André Weisrock, Professeur Emérite de géographie de I'Université de Nancy 2, rapporteur de ce travail. Géomorphologue lorrain reconnu, il a également travaillé sur les karsts en collaboration avec Patrice Gamez.
Merci aussi à Michel Sary, Maître de Conférences en géographie à I'Université de Metz, qui a accepté de lire et corriger une partie du mémoire relative aux analyses sédimentologiques.
Cette recherche a été réalisée dans le cadre du Laboratoire de Géographie physique du CEGUM, au sein duquel j'ai pu bénéficier de moyens techniques et financiers importants :
- les analyses sédimentologiques ont été effectuées dans un laboratoire de mesures fraîchement rénové et bien équipé, avec le soutien technique appréciable de Sébastien Lebaut, Luc Manceau, Daniel Mansuy, Michel Sary ;
- les analyses nécessitant des compétences externes ont été financées presque intégralement sur fonds propres (datations U/Th du CERAK - Centre' d'Etudes et de Recherches Appliquées au Karst - , détermination des minéraux lourds, analyses polliniques). Je n'oublie pas de préciser que quelques datations (7 sur 26) sont restées à la charge du CERAK, et que 2 analyses polliniques sur 9 ont été réalisées gracieusement par I'ARPA
Préface et remerciements
(Association de Recherche Paléoécologique en Archéologie). Merci donc à ces deux laboratoires, et en particulier à mes interlocuteurs Yves Quinif et Jacqueline Argant ;
- en outre, le Laboratoire de Géographie physique m'a attribué 2 bourses de fonds de thèse, en 1997 -1998 et 200 1 -2002.
Mes remerciements vont par conséquent à I'ensemble des membres du CEGUM, et en particulier à ceux du Laboratoire de Géographie physique: Jeannine Corbonnois, Didier François, Patrice Gamez, Franck Giazzi, Emmanuel Gille, Sébastien Lebaut, Luc Manceau, Danielle Meddatri, Roger Poinsaint, Michel Sary.
En ce qui concerne les analyses extérieures au CEGUM, plusieurs personnes ont bien voulu prendre de leur temps pour analyser mes échantillons issus de remplissages souterrains : - Jacqueline et Alain Argant (ARPA, Université de Lyon 1) sont venus de Lyon pour
effectuer les prélèvements en vue de la palynologie. Je remercie particulièrement Jacqueline Argant pour I'effort consenti pour accéder à la Galerie du Calvaire et pour le rapport très détaillé de ses analyses.
- Philippe Audra (Université de Nice) et Pierre Rochette (CEREGE - Centre Européen de Recherche et d'Enseignement de Géosciences de I'Environnement - , Université d'Aix- Marseille 3) ont réalisé gracieusement des analyses paléomagnétiques, qui se sont avérées très intéressantes, et prometteuses pour I'avenir.
- Monique Beiner (indépendante, Strasbourg) a réalisé les nombreuses déterminations des minéraux lourds. Je la remercie pour ces mesures et pour les multiples discussions de travail à ce sujet.
- Vincent Blouet (DRAC - Direction Régionale des Affaires Culturelles - de Lorraine) a pu constater I'intérêt archéologique du remplissage de I'Entrée E de la Grotte Sainte-Reine, mais sa visite est malheureusement restée sans lendemain pour des raisons professionnelles.
- Edwige Pons-Branchu (CEREGE, Université d'Aix-Marseille 3), accompagnée par David Carbon lors des prélèvements, a réalisé une série de datations U/Th dans le cadre de sa thèse, commandée et financée par I'ANDRA.
- Yves Quinif (CERAK, Faculté Polytechnique de Mons) a passé trois jours en Lorraine pour les échantillonnages de concrétions. Ses conseils karstologiques avisés, à cette occasion, ainsi qu'à chaque rencontre dans des colloques, m'ont grandement éclairé sur la spéléogenèse des cavernes de la Haye. Par son intermédiaire, je remercie également le CERAK, où a été effectuée la majorité des datations U/Th.
Mes remerciements appuyés vont également à d'autres spécialistes, qui m'ont accordé de leur temps, pour m'éclairer dans differents domaines: Yves Bacher (Service de la Navigation - Pont-à-Mousson), Jean-Claude Baubron (BRGM - Bureau de Recherches Géologiques et Minières - Nancy), Emmanuel Gille (climatologie et hydrogéologie - Université de Metz), Michel Gury (pédologie - Université de Nancy 1 et CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique), Dominique Harmand (géomorphologie - Université de Nancy 2), Stéphane Jaillet (karstologie - Université de Savoie), Jacques Le Roux (géologie - Université de Nancy l), Pierre Steiner (géologie - Conseil Général de Meurthe-et-Moselle).
Avant la réalisation des analyses sédimentologiques, par des tiers ou personnellement, d'importants travaux de terrassements ont été nécessaires dans les remplissages des gtottes étudiées. Les excavations et carottages ont été effectués avec I'aide précieuse de : Isabelle Arts, Jean-Paul Fizaine, Camille, Lisette, Ludivine et Patrice Gamez, Daniel Helfer, Stéphane
Jaillet, David Knemp, Gérard, Jean-Marc et Olivier Losson, Jean Scapoli, Agnès Wehrli. Que chacun d'entre eux trouve ici ma gratitude pour leur implication dans ces tâches ingrates.
Au cours de cette étude, d'autres travaux souterrains ont nécessité I'assistance de personnes dévouées, que je remercie aussi sincèrement :
- Patrice Garnez, Corinne et Stéphane Jaillet, David Knemp, Gérard et Jean-Marc Losson, Yves Quinif m'ont aidé à sortir des réseaux karstiques les pesants prélèvements de sédiments détritiques ou chimiques (concrétions) ;
- Florence Caramelle, Denis Chenot, David Knemp, Françoise, Gérard, Jean-Marc et Olivier Losson ont contribué aux mesures de nivellement et de fracturations hypogées ; - Patrice Garnez, Gérard Losson, Jean Scapoli ont participé activement aux relevés
spéléomorpholo giques.
Par ailleurs, j'ai pu bénéficier de conseils de plusieurs chercheurs, spéléologues etlou géographes, qui sont venus visiter quelques-unes des grottes du plateau de Haye: Philippe Audra (Maître de Conférences en géographie à I'Université de Nice et président de I'AFK), Jean-Yves Bigot (trésorier de IAFK), Laurent Cadilhac (Agence de I'Eau Rhône- Méditerranée-Corse), Jeannine Corbonnois, Camille Ek (Professeur de géographie à I'Université de Liège), Dominique Harmand, Stéphane Jaillet, Daniel Mansuy (géologue et doctorant en géographie à I'Université de Metz), Yves Quinif, Roger Vandenvinne (Union Belge de Spéléologie), Luc rWillems (Docteur en géographie de I'Université de Liège).
En outre, certaines découvertes spéleologiques€n@l€s €râ€ffitr concours de Martial Martin (USAN - Union Spéléologique de I'Agglomération Nancéienne), Daniel Prévot (USAN), Alain rWeber (SESAM - Société d'Etude et de Sauvegarde des Anciennes Mines).
Mes remerciements vont également à David Carbon, Patrice Gamez, Gérard et Olivier Losson, Christophe Prévot qui ont effectué ou participé à la réalisation des clichés photographiques et des scans correspondants. Une pensée particulière va à Anne Gamez, qui, après le décès de son mari, m'a offert le tableau figuré en couverture, reproduit avec son autorisation.
Enfin, je rappellerai les principales personnes, membres de I'Association Géokarst (Lisle-en-Rigault), du club spéléologique Los Fouyants (Bar-le-Duc) ou de la section spéléologique de I'USBL (Union Sportive du Bassin de Longwy), qui m'ont permis de développer mes connaissances karstologiques, à travers diverses visites spéléologiques régionales: Jean-Pierre Beaudoin, Florence Caramelle, Thibault Coutal, Jean-Pierre Depaquis, Alain Devos, Jean-Paul Fizaine, Patrice Gamez, José Gravet, Daniel Helfer, Claude Herbillon, Stéphane Jaillet, Joël Lefebwe, Olivier Lejeune, Denis Rodange, Jean Scapoli, Agnès Wehrli.
D'autres recherches ont eu lieu en surface. A plusieurs occasions, j'ai pu apprécier les compétences ou I'aide de différentes personnes, auxquelles j'exprime ma gratitude :
- Patrice Garnez, Stéphane Jaillet, Olivier Losson, Luc Manceau pour les mesures au théodolite à Piene-la-Treiche ;
- Jeannine Corbonnois, Patrice Gamez, Daniel Helfer, Gérard et Olivier Losson, Daniel Mansuy pour des mesures en carrière (fracturations), prospections et prélèvements.
Je tiens également à remercier la Mairie de Piene-la-Treiche, |ONF (Offrce National des Forêts) en la personne de Pierre Beneville, et Stéphane Sesmat, propriétaire à Dieulouard, pour les diverses autorisations qu'ils m'ont accordées (fouilles, prélèvements, circulations en forêt).
Préface et remerciements
Par ailleurs, cette étude a nécessité une bonne maîtrise des outils informatiques. Dans ce domaine, mon frère Olivier (Maître de Conférences au Laboratoire I3D - Interaction, Image et Ingénierie de la Décision - de I'Université des Sciences et Technologies de Lille l), m'a été d'un grand secours, à de nombreuses reprises. Au Laboratoire de Géographie physique, Thierry Beck, Mohamed El Ghachi, Didier François, Loris Giovannacci, Luc Manceau, Abdelouahab Nejjari, Said Sghir, Cyrille Tailliez, n'ont de même jamais hésité à partager leur expérience lors de mes sollicitations.
Mes recherches bibliographiques s./. ont été eftectuées à la banque du sous-sol du BRGM à Nancy, à la bibliothèque municipale de Nancy, dans les bibliothèques universitaires de I'INPL (Institut National Polytechnique de Lorraine - Nancy), de Lille, de Metz, de Nancy 1, de Nancy 2, dans les bibliothèques de laboratoire du CEGUM (Metz), de I'Institut de Géographie (Nancy 2), et à la médiathèque de Metz. Mais divers documents m'ont également été transmis par les personnes suivantes, que je remercie : Philippe Audra, Monique Beiner, Marc Boudot, Jacques Brulhet, Hubert Camus, Stéphane Cordier, Alain Devos, Camille Ek, Didier François, Patrice Gawrez, Claude Guénard, Dominique Harmand, Dominique Jacquemin, Stéphane Jaillet, Virginie Le Fillâtre, Olivier Losson, Michel Louis, Yves Quinif, André Slagmolen, Roger Vandenvinne, Luc Willems.
Une place particulière concerne la documentation faunistique, pour laquelle sont intervenus Michel Dethier (Les Chercheurs de la Wallonie), Jérôme et Marie-Paule Dufour (qui ont contacté Jean-Claude Moreteau de I'Université de Metz).
Enfin, dans le cadre de ces recherches, des accueils très chaleureux m'ont été réservés par les familles Beiner, Gauchon, Harmand, Jaillet, ainsi que Claude Herbillon (pour des réunions de travail), et André et Madeleine Chenot (mes grands-parents, qui m'ont hébergé si souvent pendant mes investigations de tenain). Que toutes ces personnes trouvent ici mes remerciements les plus vifs.
Pour conclure, ma gratifude va vers tous les membres de ma famille, qui ont toujours manifesté beaucoup d'intérêt pour mes études, comme en témoigne leur participation fréquente à mes travaux. En particulier, mon parcours de recherche n'aurait pu être mené sans le soutien de tous les instants de mes parents, Odile et Gérard, et mon frère Olivier. Que tous reçoivent mes remerciements afflectueux.
Ce mémoire est présenté sous la forme de trois volumes, répartis ainsi :
1- le premier constitue le corps de la thèse. Les figures qui ponctuent le texte, sont en rapport direct avec chacun des chapitres dans lequel elles sont insérées. Le plus souvent, les photos ont été rassemblées en fin de chapitre, pow ne pas couper la lecture ;
2- le second regroupe les planches. Ces schémas sont appelés en de multiples endroits du texte, souvent dans differents chapitres ;
3- le troisième rassemble les annexes. Celles-ci réunissent des résultats d'analyses, ainsi que des descriptions détaillées de sujets abordés dans le texte, qui ne pouvaient s'inscrire dans la démonstration sans générer une perte de lisibilité.
RESUME DE LA THESE.
Au centre de la Lorraine, dans un contexte morphologique de cuestas marquées, le secteur de la < Boucle de la Moselle > correspond à une zone de changement hydrographique majeur. Au cours du Quaternaire s'est produit à Toul le détournement de la Haute Moselle, tributaire de la Meuse, vers le bassin versant de la Meurthe. Cet important phénomène de capture, connu et décrit depuis plus d'un siècle, recèle encore des points d'ombre relatifs aux modalités de sa réalisation.
Cette étude tente essentiellement de comprendre les mécanismes interactifs entre la capture de la Moselle et la karstification du plateau de Haye, traversé à deux reprises par la rivière depuis son détournement. Deux thèmes principaux, constitutifs du système géomorphologique local, sont donc développés dans cette recherche : les captures hydrographiques et les percées hydrogéologiques.
Les interprétations relatives aux liens de causalité existant entre ces deux domaines d'étude, s'appuient sur un certain nombre d'éléments du milieu naturel, morphologiques et sédimentologiques. Plus généralement, les anciennes structures de drainage et formations superficielles, épigées et hypogées, constituent des paramètres fondamentaux pour caractériser les modifications et vitesses d'évolution des reliefs, ainsi que pour retracer les grands événements tectoniques et climatiques régionaux.
Conformément aux axes de recherche fixés, le déroulement de ce travail s'établit comme suit.
Dans un chapitre introductif la définition des deux thèmes évoqués (facteurs d'une capture et d'une percée hydrogéologique en milieu calcaire) s'appuie sur des exemples extrarégionaux, qui doivent servir de base de réflexion à l'étude régionale.
Trois parties, co{ps de ce travail, sont appliquées à la Lorraine, et au site de la capture de la Moselle en particulier. La première présente les paramètres géomorphologiques, hydrographiques, hydrogéologiques et karstiques du secteur d'étude. Il en ressort que les conditions locales recèlent les ingrédients de la réalisation d'une capture assistée par le karst.
La deuxième partie traite de l'évolution fluviatile épigée, à partir de données altitudinales et sédimentologiques caractéristiques, notamment au moment du détournement de la Moselle.
Dans la dernière partie sont détaillées les principales structures karstiques désactivées du plateau central de Haye et leur fonctionnement hérité. Un développement spéléogénique sous- fluvial, essentiellement antécapture, est mis en évidence par les indices morphosédimentaires souterrains. Differentes méthodes de datation permettent en outre de caler les événements dans le temps, et en fonction des variations climatiques du Quaternaire.
Un chapitre de conclusion revient sur I'objectif principal de cette recherche, c'est-à-dire les interactions entre la karstification et la capture de la Moselle. Cette investigation du karst ouvre la voie à d'autres informations paléogéomorphologiques locales et régionales (formation des cuestas, incision des cours d'eau).
Mots-clés:
Capture hydrographique, percée hydrogéologidue, karst, sédimentologie, rivière Moselle, Piene-la-Treiche, Haye, Lorraine.
KARSTIFICATION AI\D MOSELLE CAPTURE (Lorraine, France) : TO\ryARDS AN IDENTIFICATION OF THE INTERACTIONS
In the center of the Lorraine region (north-eastern France), which presents a definite relief of cuestas, the < Boucle de la Moselle ) corresponds to an area of major change in the hydrographic network. The Upper Moselle, formerly an affluent of the Meuse, was captured at Toul during Quatemary, and became a river of the Rhine basin. This important stream piracy, well known and described for more than one century, is not yet clear in terms of achievement.
This study is aimed to understand the interactive mechanisms between the Moselle capture and the karstification of the Haye plateau, crossed over twice by the river since the piracy. This research includes two major topics, within the neighbouring geomorphologic system : the stream piracy and the hydrogeological cut-off.
The interpretations of the causal links between these two study fields, are based on several elements - morphologic and sedimentologic - of the natural environment. Moreover, the former drainage structures and superficial formations, on the surface and underground, represent fundamental parameters to explain the changes and speeds of evolution of the reliefs, and to report the major tectonic and climatic regional events.
According to those topics, the research is described as following.
First, the introduction chapter defines the two topics (factors of a stream piracy and of an hydrogeological cut-off in a limestone area), with examples of regions other than the Lorraine. These ones must lay the foundations of our discussion.
The three main parts of the study relate to the Lorraine and especially to the Moselle piracy area. The first one presents the geomorphologic, hydrographic, hydrogeologic and karstic parameters of the studied area. All the conditions of the karst-aided piracy are present.
The second one tries to specifr the fluvial evolution, with altimetric and sedimentological data, in particular at the capture time. In the last part are detailed the main inherited karstic structures and mechanisms under the Central Haye plateau. A speleogenetic subfluvial expansion, mainly before piracy, is deduced from morphologic and sedimentary subteffaneous traces. Moreover, different dating methods are used to put the events in chronological order and according to the climate changes of the Quaternary.
A last conclusive chapter focuses back to the main objective of the study, namely interactions between karstification and the Moselle capture. This investigation about karst can explain other local and regional geomorphologic events (formation of the cuestas, entrenchment of the rivers).
Key-words:
Stream piracy, hydrogeological cut-off, karst, sedimentology, Moselle river, Pierre-la-Treiche, Haye, Lorraine.
SOMMAIRE.
INTRODUCTION ET CONCEPTS... ... 15
Chapitre I : Fondements théoriques et appliqués des captures hydrographiques et des percées hydrogéologiques en milieu calcaire... ...23
I.l. Les réorganisations hydrographiques : moteurs et circonstances. ... ...24
I.2. Causes et modalités des percées hydrogéologiques ou hydrokarstiques...32
I.3. Aspect théorique du particularisme des captures en régions calcaires... ...43
PREMIERE PARTIE: LES COMPOSAI\TES PHYSIOGRAPHIQUES DES RELATIONS KARSTIFICATION . CAPTURE SUR LE SITE D'ETUDE. ...49
Chapitre If : Géomorphologie et hydrographie du site de la capture de la MoseIle... 5l II.l. Le contexte géomorphologique : les données orographiques et géologiques du drainage de surface et du karst... ...51
II.2. Les réorganisations hydrographiques en Lorraine et la capture de la MoselIe... 65
Chapitre III : Fonctionnement hydrogéologique sur le site de la capture de la MoseIle...83
ilI.1. Caractéristiques hydrogéologiques générales d'un aquifère calcaire... ...84
III.2. Aperçu hydroclimatique général et modes d'alimentation des aquifères calcaires... 86
III.3. Comportements actuels des aquifères calcaires de la cuesta de Moselle ; relations avec les aquifères alluviaux. ...91
III.4. Reconstitution paléohydrogéologique. ... 98
Chapitre fV : Les éléments karstiques du site de la capture de la Moselle. IV.l. Détermination et classification des éléments karstiques. ... 108
IV.2. Sectorisation et caractéristiques des éléments karstiques du plateau de Haye... I l3 IV.3. La karstification actuelle et héritée du plateau de Haye... ... 135 DEUXIEME PARTIE: L'EVOLUTION FLTIVIATILE SUR LE SITE DE LA
CAPTURE DE LA MOSELLE... ... 16r Chapitre V: Les niveaux d'incision fluviatile et les formations alluviales des grandes vallées.
107
163
V.l. Définitions et considérations spatiales. ...164
V.2. Les niveaux fluviatiles des grandes vallées. ... 166
V.3. Caractéristiques sédimentologiques : texture, pétrographie, morphométrie, altération physico- chimique et minéra1ogie... ... 183
Chapitre VI : Formes et remblaiements des vallées secondaires et des vallons secs...207
VI.l. Caractéristiques morphologiques et corrélation avec les unites fluviatiles de la Moselle et de la Meurthe. ...208
VI.2. Les formations meubles des vallons secs... ...212
TROISIEME PARTIE : LE KARST INFRATAL}VEG HERITE DU PLATEAU CENTRAL DE HAYE ...227
Chapitre VII : Etude et apports des morphologies spéléologiques. 229 VII.l. Spéléométrie et macromorphologies des réseaux karstiques. ...230
Vll.2. Micromorphologies des grottes de la Haye centrale. ...242
Chapitre VIII : Informations paléogéographiques des remplissages endokarstiques. ...283
VIII.1. Caractéristiques générales des remplissages et localisation des sites d'étude...284
VIII.2. Analyse des remplissages endokarstiques et données sur les paléodynamiques fluviales. 291 VIII.3. Composition, morphométrie et altération des alluvions endokarstiques ; leur origine géochronologique par corrélations avec les formations alluviales épigées... ...337
Chapitre D( : La spéléogenèse sous-fluviale héritée, et les données d'un calage temporel...379
IX.l. Genèse et évolution du karst infratalweg hérité. ...380
IX.2. Les informations chronologiques et paléoclimatiques issues du karst. ...396
SYNTHESE ET CONCLUSION. ...431
Chapitre X : Caractérisation du rôle de la karstification dans la capture de la Moselle et apports du karst à la connaissance paléogéomorphologique Égionale X.l. Les interactions entre karstification et capture. ...434
X.2. D'autres informations paléogéomorphologiques issues du karst : éléments de réflexion...441 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ET TABLES
433
453
INTRODUCTION ET CONCEPTS.
La Lorraine est une entité géographique relativement bien délimitée, puisqu'elle constitue la partie orientale du Bassin parisien adossé sur les massifs anciens des Vosges à I'est et de I'Ardenne, de I'Eifel et de I'Hunsrûck au nord. Cette région comprend deux milieux géomorphologiques distincts (Capot-Rey, 1937) :
- la Lorraine vosgienne, présentant les plus hauts reliefs (entre 600 et 1300 m d'altitude), au sud-est ;
- la Lorraine sédimentaire, communément, mais improprement, appelée < Plateau lorrain >
(Auerbach, 1893), dont le trait caractéristique est son remarquable système de cuestas (altitudes comprises entre 200 et 450 m globalement).
Le secteur que I'on se propose d'aborder en détail dans ce travail est situé au cæur de cette seconde région naturelle (figure 0.1). L'essentiel des investigations de terrain a concerné les environs immédiats de la << Boucle de la Moselle >>, entre Toul et Nancy.
Plateau Dépression Massif ancien
Front de côte et butte témoin Cours d'eau principaux Secteur d'étude (site de la capture de la Moselle s./.) Secteur de recherches détaillées (prospections sur le plateau central de Haye)
Figure 0.1 - Carte de localisation du secteur étudié dans ce travail.
Nous sommes là sur un site de capture fluviatile majeure, dont les protagonistes ont été la Meuse, la Moselle et la Meurthe. Ces trois grandes artères hydrographiques sont à moins de 40 km I'une de I'autre à la latitude de Toul et recoupent deux systèmes de cuestas
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Introduction et concepts Introduction générale
des plus imposants en Lorraine : la Côte de Moselle à I'est et celle de Meuse à I'ouest (cf planche II.3), dont les revers constituent des plateaux calcaires, karstifiables.
Ce site de la capture de la Moselle, qui a fait I'objet de recherches multidisciplinaires nombreuses depuis plus d'un siècle, est loin d'avoir livré tous ses secrets. Les modalités et l'âge du détournement hydrographique, récemment clarifiés (Harmand et al., I995a, 1995c), nécessitent encore des précisions. En particulier, I'aspect karstique du phénomène de capture, encore peu développé (Gamez et al.,1995), mérite qu'on lui consacre une attention spécifique.
Un double objectif concerne cette recherche :
- déterminer les relations dynamiques entre karstification et modification de drainage épigée, sur le secteur de la < Boucle de la Moselle >. Les analyses de ce site expérimental, qui relèvent d'un fonctionnement essentiellement hérité, pourront être également perçues d'une façon plus générale ;
- utiliser la " mémoire morphogénique " du karst (Delannoy, 1997) pour apporter des informations originales sur l'évolution des reliefs de la Lorraine centrale (formation des cuestas, incision des cours d'eau) et pour améliorer les jalons chronologiques (datations absolues et indirectes).
L'histoire géomorphologique du territoire considéré, sous contrôle géologique et climatique, est partiellement inscrite dans les formes de relief qui le composent. Le décryptage de ces dernières passe par la mise en pratique de schémas de pensée déductifs, dont I'approche systémique permet de cerner la globalité et linteractivité des phénomènes, ainsi que I'ont montré diverses études géomorphologiques (Vaudour, 1986 ; Delannoy, l99l ; Jaillet, 2000b).
Cette approche correspond à I'objet de notre recherche ; elle offre un support à la compréhension des relations entre les deux principaux thèmes d'étude : karstification et captures hydrographiques. Ceci implique une présentation, avec cet éclairage, des fondements du sujet choisi.
Le champ d'application d'une vision globale, " macroscopique " (de Rosnay, 1975), s'étend sur de nombreux domaines de recherches, et peut concerner des objets de différentes grandeurs, à imbrications ou interconnexions multiples. Ainsi, la notion de système peut s'appliquer à la géomorphologie dans son ensemble, comme à des branches de celle-ci (sous- systèmes : domaine fluviatile, massif karstique, bassin versant, ...), éléments du " méta- système " géomorphologique, qui sont également analysables en termes de systèmes (cf Julian. 1992\.
< Un système est un ensemble d'éléments en interaction dynamique, organisés en fonction d'un but > (de Rosnay,I975, p. 101).
Structure, fonctionnement et évolution sont les trois paramètres cognitifs de I'organisation d'un système (Vaudour, 1986; Delannoy, 1997). ils s'inscrivent dans un environnement (notre milieu d'étude), en fonction de finalités (objectifs d'étude), où causes et effets sont interdépendants (cf. Le Moigne, 1990). Ceux-ci sont multiples et en interaction (figure 0.2) ; les systémiciens parlent de " boucles de rétroaction " (Watzlawick et al.,1972;
de Rosnay, 1975).
Cause = phénomène
(exemple:
érosion / sédimentation)
Cause = phénomène
(exemple:
subsidence / Cause =
phénomène (exemple:
karstification)
Efiet = phénomène
(exemple:
capture)
Cause = phénomène
(exemple:
régression / / - . - \ .
/
Il
\
\
\
II I
- - --'-
Témoins (= composantes) = produits de la (des) cause(s)
lnteraction schématisée Génère
Devient instantanément
.--i+ LaiSSe
Mécanisme en gras = celui étudié dans ce travail
Cause .+ Efiet
1= phén.) 1= phén.)
Mécanisme
Cause + Effet
1I t
Effet Cause
Mécanisme
Figure 0.2 - Représentation partielle des relations multiples qui existent entre différents phénomènes au sein drun système (exemple du système géomorphologique).
Par exemple, la notion de karstification intervient comme facteur causal d'une capture, et inversement (cf. figure 0.2). Cela définit précisément notre séquence d'étude, représentée par une double relation de cause à effet, dans laquelle le phénomène hydrographique constitue le pivot (figure 0.3).
Introduction et concepts Introduction générale
Conjointement aux causes et effets, considérés cornme des phénomènes (dynamiques), existent au sein du système des éléments statiques (mais en évolution à l'échelle de temps géologique): ce sont les témoins (ou preuves), qui se rapportent à tout phénomène.
Dénommés " vecteurs mémoriels " par J.-J. Delannoy (1997), ils peuvent être constitués à la fois par des composantes propres, en lien direct avec un effet, et par des comparaisons de témoins d'autres effets, ainsi que nous le venons concrètement dans le cas d'une capture hydrographi que (cf. $ I. I . I .). Ils consttuent la base des interprétations.
X'igure 0.3 - Représentation des domaines abordés dans cette étude, dans la chaîne de causalité ouverte et " linéarisée " en fonction du temps.
Compte tenu de la définition de la séquence d'étude, tout au long de cette recherche, on évoquera en premier lieu les évolutions fluviatiles et hydrographiques épigées, avant d'aborder le cas des circulations souterraines (percées hydrogéologiques, définies notamment par les caractéristiques karstiques), pour déterminer finalement les relations de causalité unissant ces phénomènes.
A la suite de cette introduction générale, un premier chapitre conceptuel sera consacré aux aspects théoriques des deux domaines de recherche évoqués. Des exemples extrarégionaux caractéristiques viendront illustrer les propos.
Les trois grandes parties suivantes, qui regroupent les éléments démonstratifs de ce travail, seront appliquées à la Lonaine et, plus particulièrement, à notre site d'étude restreint de la capture de la Moselle.
Dans la première partie (chapitres II à IV), la présentation des données physiographiques locales (géomorphologie, hydrographie, hydrogéologie et karst) permettra de vérifier la réunion, sur le secteur de recherches, des composantes nécessaires à la réalisation d'une capture assistée par des percées hydrogéologiques. Il s'agit de phénomènes hérités, pour lesquels le contexte hydrogéologique actuel renseigne sur le fonctionnement général du massif calcaire.
Dans la deuxième partie (chapitres V et VI), I'examen approfondi de l'évolution fluviatile, notamment au cours des périodes encadrant le détournement de la Moselle, a pour but d'obtenir une chronologie relative précise et de rassembler des m.rqueurs caractéristiques des formations alluviales de surface, qui puissent servir de points de repère aux analyses souterraines.
La troisième partie (chapitres VII à IX) sera consacrée à l'étude détaillée d'un fragment du système karstique du plateau central de Haye. Les paramètres morphosédimentaires des structures endokarstiques désactivées doivent essentiellement fournir une reconstitution du
fonctionnement hydrogéologique passé, en relation avec le milieu épigé, au moment de la capture de la Moselle. Des datations permettront de caler les événements dans le temps, et notamment vis-à-vis des variations climatiques du Pléistocène.
Au final, il conviendra de revenir aux objectifs principaux de cette recherche (chapitre X de synthèse et conclusion générale): indiquer les informations paléogéomorphologiques recelées par le karst étudié et, en particulier, définir I'implication de la karstification dans la capture de la Moselle, et inversement. On déterminera conjointement, si le détoumement de la Moselle constitue un modèle d'interactions entre capture et karstification.
L'ensemble de ces travaux s'appuieront sur des données bibliographiques, des observations de terrain et des analyses de laboratoire, que I'on évoquera en détail au frr et à mesure de l'étude.
CHAPITRE I : FONDBMENTS THEORIQUES BT APPLIQUES DES CAPTURES HYDROGRAPHIQUES ET DES PBRCBES
HYDROGEOLOGIQUES EN MILIEU CALCATRE.
Ce chapitre est consacré aux aspects théoriques des deux axes de recherche évoqués en introduction générale: les captures hydrographiques et le type de karstification que sont les percées hydrogéologiques. En première approche, on peut retenir les définitions suivantes : - une capture est un << détournement naturel de la partie amont d'un cours dteau vers
un cours d'eau voisin [...] > (George et coll., 1990,p.64) ;
- une percée hydrogéologique est un << écoulement karstique souterrain depuis sa pénétration dans le sous-sol jusqu'à sa résurgence >) (Choppy, 1985, p.92).
On reviendra sur les terminologies à adopter dans chacune des sections spécifiquement dévolue à ces thèmes.
Ce chapitre est par ailleurs I'occasion de préciser concrètement I'organisation des systèmes dans lesquels on se situe (planche I.1). Captures et percées hydrogéologiques appartiennent aux systèmes hydrographique et géomorphologique, ce dernier comportant les sous-systèmes fluviatile et karstique.
Dans le cadre de l'étude des captures ($ I.l.), on donnera un aperçu de I'ensemble des causes et conséquences connues drun détournement hydrographique. Cela permettra de constater que les interactions fonctionnent aussi bien à I'intérieur du système considéré, qu'avec I'extérieur. Une section sera précédemment consacrée aux moyens de reconnaissance de ces phénomènes hydrographiques, c'est-à-dire à leurs témoins, composantes matérialisant une relation de cause à effet.
Dans un deuxième temps ($ I.2.), on s'intéressera arD( percées hydrogéologiques. On s'en tiendra aux seuls paramètres générant ces phénomènes, sans prendre en considération tous les aspects relatifs à leurs conséquences, dont le principal de cette étude (les captures) aura déjà été abordé. Traiter des causes d'une percée hydrogéologique oblige à déterminer préalablement les facteurs de la karstification. Pour ce faire, on se placera momentanément dans le cadre plus restreint du sous-système karstique. En second lieu, il faudra alors définir les raisons qui font basculer les écoulements des régions calcaires d'un mode de fonctionnement épigé à celui hypogé, ou inversement.
Enfin, la dernière section (I.3.) de ce chapitre constituera un retour partiel sur les relations de causalités unissant capture et percée hydrogéologique. Des exemples théoriques de I'enregistrement par le karst d'un détournement hydrographique de surface seront traités, que ce soit en configuration d'assistance - témoignage ou de simple témoignage.
