Cartographie morpho-karstique du Causse Méjean : nouveaux apports sur la connaissance géologique et hydrogéologique

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Interaction géodynamique/karstification et modélisation géologique 3D des massifs carbonatés : Implication sur la distribution prévisionnelle de la karstification. Exemple des paléokarts crétacés à néogènes du Languedoc montpelliérain

The present study addresses the question of increasing need in water supply. One line of research consists in investigating karst aquifers that represent significant water supplies for the areas around the Mediterranean. This work aims at developing a methodology of predictive evaluation of karst distribution and karst thickness within the carbonate massifs. It is based on the study of the Tethysian carbonate platform from the area of Montpellier, South of France. This area underwent a polyphased, complex, tectonic evolution, involving successive karst forming events. The approach is based on the relationships between eustacy and geodynamics, on one hand, and base-level variation recorded within palaeokarsts, on the other hand. Sedimentary fill of palaeokarsts allows to identify distinct karstification phases and sometimes to date them. It is a marker of base-level variations, which we attempt to quantify, that is responsible for karst formation and karst filling and sealing. For three palaeokarsts of regional extent, we analyze : karst sedimentary-fill, the distribution along upstream-downstream profile, the vertical extension of palaeokarsts, indicative of the base-level lowering. - The " Bauxite palaeokarst " results from the two-stage evolution of the " Isthme Durancien " : i) Bauxitic weathering of the Neocomian cover over the southern Massif Central , related to an inversion during Barremian ; ii) ≥1600 m uplift and exhumation during Aptian-Albian, inducing erosion of alterites, upstream, and deposition of detrital bauxites, downstream. - The " Early Paleocene palaeokarsts with marine sedimentary-fill " indicate base level variations of more than 350m in the upstream area. It is suggested here that such base-level variations, exceeding eustacy and recorded in tabular undeformed series, result from desiccation-flooding events in an endoreic silled basin. - The " Miocene palaeokarst with Cevennes-sourced sediment-fill " records a Serravalian-Tortonian base-level drop, depicted by canyon incision in the hinterland of the Gulf of Lion Margin. Uplift values of ≥ 400m upstream, about 250m in an intermediate area and 10's of m downstream, are measured. The present 3D geometry and distribution of carbonate massifs (exposed and covered) are modeled in the study area, from the Cevennes to the Mediterranean. The 3D geological model integrates seismic reflection, borehole and gravimetric data. Tectonic restoration of a N-S section, extracted from the 3D model, allows to reconstruct paleo-base-levels with respect with the carbonate massifs, at different stages of deformation and successive phases of karstification. The 3D paleo-flows through carbonates across the study area, are thus constrained, especially during the Messinian desiccation stage. Application of the results to hydrogeology leads to the following : - Uplift of upstream hinterland (Cretaceous, Miocene) produces large amplitude karsts, but they do not make significant reservoirs. - Karstification responsible for the development of important and deep karst reservoirs is related to desiccation of endoreic basins (early Paleocene and Messinian). - Theses two events have produced two main deep karst reservoirs, with a gravimetric signature : (1) Upstream of Montpellier Thrust, between Pic St Loup, Les Matelles Fault and Hérault Basin, a deep karsts developed over 900m thickness in the Malm limestone, during Paleocene. (2) Downstream (south) of Montpellier Thrust, the coastal karsts extend offshore over more than 10km, they are sealed by a thick Miocene to Quaternary cover, and they result from the Messinian event.Cette étude s'inscrit dans un contexte de demande croissante en ressources en eau, conduisant à mieux contraindre et estimer la distribution des aquifères karstifiés qui représentent une ressource importante, notamment sur le pourtour méditerranéen. Le but de ce travail est d'élaborer une méthode prédictive de la distribution de la karstification et de l'épaisseur de massifs carbonatés karstifiés, notamment pour les karsts profonds. La méthodologie est développée à partir de l'étude des karsts de la plateforme carbonatée téthysienne du Languedoc montpelliérain; région qui a subi une histoire tectonique complexe et polyphasée, entrainant des phases de karstification successives. Elle est basée sur la compréhension des relations entre eustatisme, géodynamique et niveau de base, enregistrées par les paléokarsts de la région. Le remplissage sédimentaire des paléokarsts permet d'identifier les épisodes de karstification et de les dater ; c'est un marqueur des variations -que l'on cherche à quantifier- du niveau de base local responsable de la formation et du comblement des karsts. On analyse 3 paléokarsts d'extension régionale dont on peut étudier : le remplissage karstique, la distribution le long de profils amont-aval et l'extension verticale indicatrice de l'amplitude de l'abaissement du niveau de base dont il est issu. On en déduit les causes géodynamiques à l'origine de leur formation: - Le " paléokarst des bauxites " à remplissage caractéristique, résulte de l'évolution en 2 phases de " l'Isthme Durancien " : altération bauxitique de la couverture néocomienne sur le sud du Massif Central, liée à une inversion au Barrémien, suivi d'une surrection ≥ 1600m à l'Aptien-Albien, causant l'érosion des altérites en amont et le dépôt des bauxites détritiques en aval. - Le " paléokarst à remplissage marin paléocène inférieur " indique des variations du niveau de base local ≥350m dans la zone amont sud-cévenole. On propose que ces variations de niveau de base d'amplitude très supérieures aux variations eustatiques et dans une zone faiblement déformée, résultent d'assèchements et d'ennoiements d'un bassin endoréique à seuil. - Le " paléokarst à remplissage détritique d'origine cévenole ", enregistre la chute du niveau de base au Serravalien-Tortonien, qui se traduit par l'incision de canyons dans l'arrière-pays de la marge du Golfe du Lion. On détermine une surrection de plus de 400 mètres à l'amont, près de 250m dans les blocs faillés intermédiaires et quelques dizaines de mètres dans la zone avale. En parallèle, on établit la géométrie et la distribution actuelles des massifs carbonatés dans la zone d'étude (y compris sous couverture), en construisant un modèle géologique 3D, des Cévennes à la Méditerranée. On intègre les données de sismique réflexion, de forages et les données gravimétriques. La restauration tectonique séquentielle d'une coupe Nord-Sud extraite du modèle géologique permet d'appréhender la position des paléo-niveaux de base par rapport aux massifs carbonatés, pour chaque époque de karstification. On déduit l'organisation 3D des paléo-écoulements à travers la géométrie complexe des massifs carbonatés languedociens, notamment pendant l'évènement messinien. En terme d'évaluation de la ressource en eau, on déduit que: - Les surrections de l'arrière-pays (Crétacé " moyen ", Miocène) produisent des karsts de grande amplitude, mais ne constituent pas de réservoirs significatifs. - La karstification à l'origine de réservoirs exploitables importants et profonds est créée par l'assèchement de bassins endoréiques, qui ont affecté la région au Paléocène inférieur et au Messinien . - Ces deux évènements sont à l'origine de deux principaux réservoirs karstiques profonds qui ont une signature gravimétrique : (1) En amont du chevauchement de Montpellier, entre le Pic Saint Loup, la faille des Matelles et le bassin de l'Hérault, le karst profond se développe sur une épaisseur atteignant 900m, et est attribuée à l'événement du Paléocène. (2) Au Sud du chevauchement de Montpellier les karsts côtiers s'étendent jusqu'à plus de 10 km au large, scellés par une épaisse couverture Miocène et Plio-Quaternaire, et résultent de l'événement Messinien

Geodynamics/karstification interactions and 3D geological modelling of carbonate massifs : Implication for the estimated distribution of karst. Example of Cretaceous to Neogene paleokarsts (Montpellier area, southern France)

Cette étude s'inscrit dans un contexte de demande croissante en ressources en eau, conduisant à mieux contraindre et estimer la distribution des aquifères karstifiés qui représentent une ressource importante, notamment sur le pourtour Méditerranéen. Le but de ce travail est d'élaborer une méthode prédictive de la distribution de la karstification et de l'épaisseur de massifs carbonatés karstifiés, notamment pour les karsts profonds. La méthodologie est développée à partir de l'étude des karsts de la plateforme carbonatée téthysienne du Languedoc montpelliérain; région qui a subi une histoire tectonique complexe et polyphasée, entrainant des phases de karstification successives. Elle est basée sur la compréhension des relations entre eustatisme, géodynamique et niveau de base, enregistrées par les paléokarsts de la région. Le remplissage sédimentaire des paléokarsts permet d'identifier les épisodes de karstification et de les dater ; c'est un marqueur des variations -que l'on cherche à quantifier- du niveau de base local responsable de la formation et du comblement des karsts. On analyse 3 paléokarsts d'extension régionale dont on peut étudier : le remplissage karstique, la distribution le long de profils amont-aval et l'extension verticale indicatrice de l'amplitude de l'abaissement du niveau de base dont il est issu. On en déduit les causes géodynamiques à l'origine de leur formation: - Le « Paléokarst des bauxites » à remplissage caractéristique, résulte de l'évolution en 2 phases de « l'isthme Durancien » : altération bauxitique de la couverture Néocomienne sur le sud du Massif Central, liée à une inversion au Barrémien, suivi d'une surrection ≥ 1600m à l'Aptien-Albien, causant l'érosion des altérites en amont et le dépôt des bauxites détritiques en aval..- Le « Paléokarst à remplissage marin Paléocène inférieur » indiquent des variations du niveau de base local ≥350m dans la zone amont sud-cévenole. On propose que ces variations de niveau de base d'amplitude très supérieures aux variations eustatiques et dans une zone faiblement déformée, résultent d'assèchements et d'ennoiements d'un bassin endoréique à seuil.- Le « paléokarst à remplissage détritique d'origine cévenole », enregistre la chute du niveau de base au Serravalien-Tortonien, qui se traduit par l'incision de canyons dans l'arrière-pays de la marge du Golfe du Lion. On détermine une surrection de plus de 400 mètres à l'amont, près de 250m dans les blocs faillés intermédiaires et quelques dizaines de mètres dans la zone aval. En parallèle, on établit la géométrie et la distribution actuelles des massifs carbonatés dans la zone d'étude (y compris sous couverture), en construisant un modèle géologique 3D, des Cévennes à la Méditerranée. On intègre les données de sismique réflexion, de forages et les données gravimétriques. La restauration tectonique séquentielle d'une coupe Nord-Sud extraite du modèle géologique permet d'appréhender la position des paléo-niveaux de base par rapport aux massifs carbonatés, pour chaque époque de karstification. On déduit l'organisation 3D des paléo-écoulements à travers la géométrie complexe des massifs carbonatés languedociens, notamment pendant l'évènement Messinien. En terme d'évaluation de la ressource en eau, on déduit que: - Les surrections de l'arrière-pays (Crétacé « moyen », Miocène) produisent des karsts de grande amplitude, mais ne constituent pas de réservoirs significatifs.- La karstification à l'origine de réservoirs exploitables importants et profonds est créée par l'assèchement de bassins endoréiques, qui ont affecté la région au Paléocène inférieur et au Messinien.The present study addresses the question of increasing need in water supply. One line of research consists in investigating karst aquifers that represent significant water supplies for the areas around the Mediterranean. This work aims at developing a methodology of predictive evaluation of karst distribution and karst thickness within the carbonate massifs. It is based on the study of the Tethysian carbonate platform from the area of Montpellier, South of France. This area underwent a polyphased, complex, tectonic evolution, involving successive karst forming events. The approach is based on the relationships between eustacy and geodynamics, on one hand, and base-level variation recorded within palaeokarsts, on the other hand. Sedimentary fill of palaeokarsts allows to identify distinct karstification phases and sometimes to date them. It is a marker of base-level variations, which we attempt to quantify, that is responsible for karst formation and karst filling and sealing. For three palaeokarsts of regional extent, we analyze : karst sedimentary-fill, the distribution along upstream-downstream profile, the vertical extension of palaeokarsts, indicative of the base-level lowering.- The « Bauxite palaeokarst » results from the two-stage evolution of the « Isthme Durancien » : i) Bauxitic weathering of the Neocomian cover over the southern Massif Central , related to an inversion during Barremian ; ii) ≥1600 m uplift and exhumation during Aptian-Albian, inducing erosion of alterites, upstream, and deposition of detrital bauxites, downstream.- The « Early Paleocene palaeokarsts with marine sedimentary-fill » indicate base level variations of more than 350m in the upstream area. It is suggested here that such base-level variations, exceeding eustacy and recorded in tabular undeformed series, result from desiccation-flooding events in an endoreic silled basin.- The « Miocene palaeokarst with Cevennes-sourced sediment-fill » records a Serravalian-Tortonian base-level drop, depicted by canyon incision in the hinterland of the Gulf of Lion Margin. Uplift values of ≥ 400m upstream, about 250m in an intermediate area and 10's of m downstream, are measured. The present 3D geometry and distribution of carbonate massifs (exposed and covered) are modeled in the study area, from the Cevennes to the Mediterranean. The 3D geological model integrates seismic reflection, borehole and gravimetric data. Tectonic restoration of a N-S section, extracted from the 3D model, allows to reconstruct paleo-base-levels with respect with the carbonate massifs, at different stages of deformation and successive phases of karstification. The 3D paleo-flows through carbonates across the study area, are thus constrained, especially during the Messinian desiccation stage. Application of the results to hydrogeology leads to the following :- Uplift of upstream hinterland (Cretaceous, Miocene) produces large amplitude karsts, but they do not make significant reservoirs.- Karstification responsible for the development of important and deep karst reservoirs is related to desiccation of endoreic basins (early Paleocene and Messinian).- Theses two events have produced two main deep karst reservoirs, with a gravimetric signature : (1) Upstream of Montpellier Thrust, between Pic St Loup, Les Matelles Fault and Hérault Basin, a deep karsts developed over 900m thickness in the Malm limestone, during Paleocene. (2) Downstream (south) of Montpellier Thrust, the coastal karsts extend offshore over more than 10km, they are sealed by a thick Miocene to Quaternary cover, and they result from the Messinian event

Structural style of the Languedoc Pyrenean thrust belt in relation with Tethysian and Durancian inherited structures, southern France

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Structural style of the Languedoc Pyrenean thrust belt in relation with the inherited Mesozoic structures and with the rifting of the Gulf of Lion margin, southern France

International audienceThe E-trending Pyrenean orogen results from the inversion of the mid-Cretaceous rift structures responding to an overall N-S extension, as suggested by the balanced and restored cross-sections oriented normal to the orogen. However, oblique convergence/divergence that involve strain partitioning and arcuate segments of the orogen prevent simple tectonic restorations. The Languedoc region (southern France) provides a case study of a complex polyphase deformation involving a range of reactivated structures and cross-cutting relationships, acquired in response to varying tectonic stresses with different orientations. We analyze and correlate the onshore-offshore structures of the Languedoc region, based on reassessment of existing and newly acquired subsurface data. New results in the poorly documented coastal area point to the existence of unrecognized major structures that improves onshore-offshore correlations. Our results show: (i) the part played by the Mesozoic (Early Jurassic, then mid-Cretaceous) extensional phases in the development and the localization of Pyrenean-related contractional structures; (ii) the control of inherited crustal structure on the later Oligocene rifting of the Gulf of Lion. This restoration of the Pyrenean shortening and Oligocene rifting, constructed along sections (approximately perpendicular to each other) indicates minimum shortening of 28 km and extension of 14 km, respectively, in the Languedoc foreland. Integration of the Pyrenean structural framework of Languedoc reveals a wide, NE-trending transfer zone linking the eastern Pyrénées to Provence.Style structural de la chaîne pyrénéenne en Languedoc, en relation avec les structures héritées du Mésozoïque et le rifting du Golfe du Lion (sud de la France). L’orogène pyrénéen, d’orientation générale E-W, résulte de l’inversion du rift crétacé « moyen », lui-même contrôlé par une extension de direction méridienne. Ceci est décrit dans les coupes structurales équilibrées et restaurées, perpendiculaires aux structures de l’orogène. Cependant, dans les cas de convergence ou divergence oblique et dans les cas de virgation, les restaurations tectoniques sont problématiques. Le Languedoc fournit un cas d’étude de déformations polyphasées, impliquant des réactivations ou des superpositions de structures, en réponse à des cinématiques distinctes et d’orientations différentes. Nous analysons et corrélons les structures à terre et en mer du Languedoc, sur la base de données anciennes réinterprétées et de données nouvellement acquises. Les résultats dans la zone littorale, jusqu’à présent très peu documentée, mettent en évidence de nouvelles structures majeures qui aident à la corrélation terre-mer. Nos résultats montrent : (i) le rôle des phases extensives mésozoïques (Jurassique inférieur et milieu du Crétacé) dans le développement et la localisation des structures compressives pyrénéennes et (ii) le contrôle de ces dernières sur le rifting Oligocène du Golfe du Lion. La restauration de coupes construites selon des directions choisies quasiment perpendiculaires entre elles donne ≥28 km de raccourcissement pyrénéen et ≥14 km d’extension Oligocène dans l’avant-pays languedocien. L’intégration au schéma structural pyrénéen dessine une large zone de transfert orientée NE-SW qui relie les Pyrénées franco-espagnoles à la Provence

Comprendre l'histoire thermique de la plateforme Nord Aquitaine : implications sur les mouvements verticaux et la karstification

International audienceThe Lower Cretaceous corresponds, in northwestern Europe, to a period of significant extension with the rifting of the Bay of Biscay and its eastern prolongation, the Parentis Basin. This basin has a long history of rifting and several important discontinuities between the uppermost Jurassic and the Albian (at the top of the Jurassic, top of the Barremian and at the Aptian-Albian boundary). North of this basin i.e. the Aquitaine Platform, the sedimentation is very patchy, the few known Lower Cretaceous deposits suggest continental conditions during this period. Preliminary work carried out on some deep boreholes located on the Aquitaine platform reconstructed temperatures by thermochronology (apatite fission track on Triassic and Permian samples). The preliminary results show that these samples are not in equilibrium with the current sedimentary thickness taking into account a conventional geothermal gradient (35°/km). All these the samples then show a significant cooling at the end of the Lower Cretaceous consistent with a regional erosion event. This preliminary work leads us to make two hypothesis: - The deposition of a Lower Cretaceous sedimentary thickness that was then eroded form the Aptian. This hypothesis is in agreement with study carried out further east (French Massif Central) but not with the first order sedimentary outcropping characterization on the Aquitaine platform. - The high palaeotemperatures recorded are controlled by an increase in the geothermal gradient (a gradient of 50°/km must be considered) during the Upper Jurassic and Lower Cretaceous. This model does not consider the deposition and the erosion of a thick Cretaceous cover. This hypothesis is difficult to explain over such large area without significant crustal thinning. These two-hypothesis lead to very different palaeogeographical situations and to very different vertical displacement. The answer to these questions is a key in order to understand the periods of karstification of the Jurassic carbonate platform and therefore to have a better knowledge of the water reservoir. We presented in this work the results of an integrated study. The results are based on a combination of field study and the interpretation of subsurface data (boreholes and seismic). A wide range of methods has been applied to this dataset (sedimentology, sequence stratigraphy, well correlation, isotopic and geochemical analysis of carbonate, sand and clay and thermochronology)

Understanding the thermal history of the North Aquitaine platform: implications on vertical motion and karstification

International audienceThe Lower Cretaceous corresponds, in northwestern Europe, to a period of significant extension with the rifting of the Bay of Biscay and its eastern prolongation, the Parentis Basin. This basin has a long history of rifting and several important discontinuities between the uppermost Jurassic and the Albian (at the top of the Jurassic, top of the Barremian and at the Aptian-Albian boundary). North of this basin i.e. the Aquitaine Platform, the sedimentation is very patchy, the few known Lower Cretaceous deposits suggest continental conditions during this period. Preliminary work carried out on some deep boreholes located on the Aquitaine platform reconstructed temperatures by thermochronology (apatite fission track on Triassic and Permian samples). The preliminary results show that these samples are not in equilibrium with the current sedimentary thickness taking into account a conventional geothermal gradient (35•/km). All these the samples then show a significant cooling at the end of the Lower Cretaceous consistent with a regional erosional event. This preliminary work leads us to make two hypothesis:-The deposition of a Lower Cretaceous sedimentary thickness that was then eroded from the Aptian. This hypothesis is in agreement with study carried out further east (French Massif Central) but not with the first order sedimentary outcropping characterization on the Aquitaine platform.-The high palaeotemperatures recorded are controlled by an increase in the geothermal gradient (a gradient of 50•/km must be considered) during the Upper Jurassic and Lower Cretaceous. This model does not consider the deposition and the erosion of a thick Cretaceous cover. This hypothesis is difficult to explain over such large area without significant crustal thinning. These twohypothesis lead to very different palaeogeographical situations and to very different vertical displacement. The answer to these questions is a key to understand the periods of karstification of the Jurassic carbonate platform and therefore to have a better knowledge of the water reservoir. We presented in this work the results of an integrated study. The results are based on a combination of field study and the interpretation of subsurface data (boreholes and seismic). A wide range of methods has been applied to this dataset (sedimentology, sequence stratigraphy, well correlation, isotopic and geochemical analysis of carbonate, sand and clay and thermochronology)

Evolution du Massif Central et ses bassins bordiers au cours du Crétacé Inférieur

International audienceLe Crétacé Inférieur correspond en Europe de l'Ouest à une grande phase de réorganisation en lien avec la phase d'extension qui s'exprime par une augmentation de la subsidence dans les bassins sédimentaires. Le Massif central se situe au centre des trois grands bassins sédimentaires français, Le Bassin du Sud-Est, le Bassin de Paris et le Bassin d'Aquitaine. Les données thermochronologiques (trace de fission sur apatite) compilées sur ce massif montre un épisode de réchauffement pendant le Jurassique Supérieur/Crétacé Inférieur puis une phase de refroidissement pendant la suite du Crétacé Inférieur. Deux explications sont possibles pour cet évènement thermique : (i) Un paléo gradient géothermique plus élevée (50 ° C/km) et/ou (2) une pile de roche aujourd'hui manquante. Cet évènement s'observe également dans la partie Nord du Bassin d'Aquitaine et est expliqué par une couverture de sédiments Jurassique Supérieur déposée puis érodée pendant la phase extensive Crétacé Inférieur. Cette étude vise à comprendre et quantifier la pile de roche manquante sur le Massif Central au cours du Crétacé Inférieur. Elle se base sur des données (i) thermochronologiques, (ii) Rock-Eval sur la matière organique (iii) de zircons détritiques, (iiii) sur le remplissage sédimentaire des bassins bordiers

Understanding the thermal history of the North Aquitaine platform: implications on vertical motion and karstification

International audienceThe Lower Cretaceous corresponds, in northwestern Europe, to a period of significant extension with the rifting of the Bay of Biscay and its eastern prolongation, the Parentis Basin. This basin has a long history of rifting and several important discontinuities between the uppermost Jurassic and the Albian (at the top of the Jurassic, top of the Barremian and at the Aptian-Albian boundary). North of this basin i.e. the Aquitaine Platform, the sedimentation is very patchy, the few known Lower Cretaceous deposits suggest continental conditions during this period. Preliminary work carried out on some deep boreholes located on the Aquitaine platform reconstructed temperatures by thermochronology (apatite fission track on Triassic and Permian samples). The preliminary results show that these samples are not in equilibrium with the current sedimentary thickness taking into account a conventional geothermal gradient (35•/km). All these the samples then show a significant cooling at the end of the Lower Cretaceous consistent with a regional erosional event. This preliminary work leads us to make two hypothesis:-The deposition of a Lower Cretaceous sedimentary thickness that was then eroded from the Aptian. This hypothesis is in agreement with study carried out further east (French Massif Central) but not with the first order sedimentary outcropping characterization on the Aquitaine platform.-The high palaeotemperatures recorded are controlled by an increase in the geothermal gradient (a gradient of 50•/km must be considered) during the Upper Jurassic and Lower Cretaceous. This model does not consider the deposition and the erosion of a thick Cretaceous cover. This hypothesis is difficult to explain over such large area without significant crustal thinning. These twohypothesis lead to very different palaeogeographical situations and to very different vertical displacement. The answer to these questions is a key to understand the periods of karstification of the Jurassic carbonate platform and therefore to have a better knowledge of the water reservoir. We presented in this work the results of an integrated study. The results are based on a combination of field study and the interpretation of subsurface data (boreholes and seismic). A wide range of methods has been applied to this dataset (sedimentology, sequence stratigraphy, well correlation, isotopic and geochemical analysis of carbonate, sand and clay and thermochronology)