La carte géologique et ses utilisations

Résumé en cinq points

Notions et mécanismes

Ce que représente une carte géologique

Une carte géologique représente trois informations pour chaque terrain affleurant, sa nature, sa géométrie et son âge.

La nature est donnée par le figuré et par la notice. La géométrie se déduit des limites tracées et des symboles de pendage. L'âge est donné par la notation et par la couleur, chaque système et chaque étage ayant une couleur conventionnelle.

Un point souvent mal compris doit être posé clairement. Ce qui est cartographié, ce sont les terrains présents sous les formations superficielles, pas la surface du sol elle-même. Les alluvions récentes et les dépôts de pente sont représentés à part, en général avec des figurés clairs.

La légende se lit de haut en bas dans l'ordre chronologique, les terrains les plus récents en haut, les plus anciens en bas, les roches magmatiques et métamorphiques étant souvent placées à part.

Les figurés de la carte

Les limites entre terrains sont de plusieurs natures et il faut les distinguer.

Un contact normal est une limite stratigraphique ordinaire entre deux terrains superposés.

Une faille est représentée par un trait généralement plus épais, parfois orné de symboles indiquant le compartiment abaissé. Elle met en contact anormal deux terrains d'âges différents. Sa reconnaissance sur une carte repose souvent sur l'interruption brutale et le décalage des limites des couches.

Les symboles de pendage donnent la direction et l'inclinaison des couches. Le grand trait figure la direction de la couche, le petit trait perpendiculaire indique le sens du pendage, et le chiffre donne sa valeur en degrés. Un symbole particulier signale une couche horizontale, un autre une couche verticale.

Les axes de plis sont tracés avec un symbole distinguant anticlinal et synclinal, et une flèche indiquant le plongement de l'axe.

Les indices d'exploitation humaine figurent également, carrières, mines, forages, ce que le programme demande explicitement de savoir repérer.

Relation entre structure et topographie

C'est le cœur de la lecture d'une carte. Puisque la carte est l'intersection des terrains avec le relief, la forme des limites dépend à la fois du pendage des couches et de la topographie.

Trois cas sont à connaître.

Si les couches sont horizontales, leurs limites suivent les courbes de niveau. On lit alors directement l'altitude d'une limite, et les mêmes terrains apparaissent au même niveau sur toutes les collines.

Si les couches sont verticales, leurs limites sont rectilignes et ne sont pas affectées par le relief.

Si les couches sont inclinées, leurs limites recoupent les courbes de niveau et dessinent un V lorsqu'elles traversent une vallée. La règle usuelle est que la pointe du V indique le sens du pendage. Elle souffre une exception, lorsque la couche est inclinée dans le sens de l'écoulement avec un pendage plus faible que la pente de la vallée. Il est donc prudent de confirmer le pendage par les symboles portés sur la carte ou par l'ordre chronologique des terrains rencontrés.

L'ordre des terrains renseigne d'ailleurs directement. En montant le long d'une pente, si l'on rencontre des terrains de plus en plus récents, la série est en position normale et non renversée.

Un pli se reconnaît à la symétrie de la disposition des terrains de part et d'autre d'un axe. Si les terrains les plus anciens affleurent au cœur de la structure, il s'agit d'un anticlinal. Si ce sont les plus récents, il s'agit d'un synclinal. Attention, ce critère est indépendant du relief, un anticlinal peut très bien former un creux si son cœur est érodé dans une roche tendre.

Les principes de datation relative appliqués à la carte

Quatre principes permettent d'ordonner les événements.

Le principe de superposition, dans une série non renversée, une couche est plus récente que celle qu'elle recouvre.

Le principe de recoupement, un objet qui en recoupe un autre lui est postérieur. Une faille est donc plus récente que les terrains qu'elle décale, et plus ancienne que ceux qui la recouvrent sans être décalés.

Le principe d'inclusion, un fragment inclus dans une roche est plus ancien que la roche qui le contient.

Le principe de continuité, une même couche a le même âge sur toute son étendue.

Un pluton granitique se date par les mêmes raisonnements. Il est plus récent que l'encaissant qu'il recoupe, et son auréole de métamorphisme de contact confirme cette relation, puisque c'est l'encaissant qui a été transformé par la chaleur du magma.

Les discordances

Une discordance est un contact où des terrains reposent sur la tranche de terrains sous-jacents inclinés ou plissés, et non sur leur surface de dépôt d'origine.

Sur une carte, elle se repère à un critère simple. Un même terrain se trouve en contact successif avec plusieurs terrains différents, et sa limite inférieure recoupe les limites des terrains sous-jacents.

L'interprétation est une succession d'événements à énoncer dans l'ordre. Dépôt des terrains inférieurs. Déformation de ces terrains, plissement ou basculement, généralement accompagnée d'un soulèvement. Érosion, qui tronque les structures et crée une surface. Retour de la sédimentation, qui dépose les terrains supérieurs sur cette surface. Il existe donc une lacune de sédimentation, c'est-à-dire un intervalle de temps non enregistré, dont on peut estimer la durée à partir des âges des terrains de part et d'autre.

Les bassins sédimentaires

Un bassin sédimentaire est une zone où la sédimentation s'est poursuivie longtemps grâce à la subsidence, c'est-à-dire à l'enfoncement progressif du fond, qui crée en permanence de la place pour de nouveaux dépôts.

Le Bassin parisien est l'exemple retenu par le programme. Sa structure est celle d'une vaste cuvette. Sur la carte, les terrains dessinent des bandes grossièrement concentriques, les plus anciens en périphérie et les plus récents au centre, ce qui traduit un empilement en forme de cuvette recoupé par l'érosion. Les pendages sont très faibles, de quelques degrés au plus, dirigés vers le centre du bassin.

Le relief associé est caractéristique. L'alternance de couches dures et de couches tendres, très peu inclinées, donne des reliefs de côte, ou cuestas, avec un front abrupt tourné vers l'extérieur du bassin et un revers en pente douce. Ce point permet de relier lecture géologique et lecture du paysage.

La connaissance de la chronologie détaillée du remplissage du Bassin parisien n'est pas au programme. Ce qui est attendu, c'est la capacité à reconnaître la géométrie d'un bassin et à raisonner sur la subsidence à partir des épaisseurs et des faciès.

Les roches et minéraux à reconnaître

Le programme fixe une liste limitée.

Les roches magmatiques retenues sont le granite et le gabbro, à structure grenue, entièrement cristallisée, formés en profondeur, et le basalte, à structure microlitique, formé en surface par refroidissement rapide. La péridotite, roche du manteau, complète la liste.

Les roches sédimentaires retenues sont le calcaire, roche carbonatée faisant effervescence à l'acide, et le grès, roche détritique formée de grains de quartz cimentés.

Les roches métamorphiques retenues sont le micaschiste et le gneiss. Le micaschiste présente une schistosité marquée et des micas abondants. Le gneiss présente une alternance de lits clairs, quartz et feldspaths, et de lits sombres, riches en micas.

Les minéraux à identifier sont l'olivine, les feldspaths, plagioclases et orthose, le quartz, les micas, biotite et muscovite, les amphiboles, les pyroxènes, le grenat et la calcite. Sur les clichés de lames minces proposés en exercice, les minéraux sont légendés, ce qui déplace l'exigence vers le raisonnement plutôt que vers la reconnaissance pure.

Modèles numériques de terrain et systèmes d'information géographique

Un modèle numérique de terrain est une représentation numérique de l'altitude du sol sur une grille de points. Il permet de produire des profils topographiques, des cartes de pente, des vues en relief.

Un système d'information géographique superpose des couches d'informations géoréférencées, géologie, topographie, hydrographie, occupation du sol, données géophysiques. Il permet de croiser ces informations et de produire des cartes thématiques adaptées à une question précise, par exemple une carte d'aléa ou une carte de ressource en eau.

Les cartes de France et leurs échelles

Les cartes géologiques de France apportent des informations complémentaires selon leur échelle. La carte au cinquante millième est l'outil de travail détaillé, sur lequel on réalise coupes et schémas structuraux. La carte au millionième donne une vue d'ensemble et permet de visualiser les grands ensembles géologiques, chaînes de montagnes et bassins sédimentaires.

En première année, l'approche de la carte au millionième se limite à une familiarisation avec ses spécificités et avec sa légende, ainsi qu'à la réalisation d'une coupe globale à main levée. L'étude détaillée des ensembles structuraux français relève de la deuxième année.

Exemples et objets de référence

Situations types à savoir reconnaître sur une carte au cinquante millième.

Une série sédimentaire tabulaire. Les limites suivent les courbes de niveau, les plateaux sont coiffés du terrain le plus récent, les vallées entaillent les terrains plus anciens. La coupe est immédiate, les couches y sont horizontales.

Une série monoclinale. Les limites recoupent les courbes de niveau de façon régulière, les symboles de pendage indiquent tous la même direction, les terrains se succèdent dans l'ordre chronologique perpendiculairement aux limites. C'est la géométrie de bordure de bassin.

Un anticlinal et un synclinal. La disposition est symétrique de part et d'autre de l'axe, les pendages s'inversent, les terrains anciens sont au cœur de l'anticlinal.

Une faille normale. Le compartiment abaissé conserve les terrains les plus récents, le compartiment soulevé laisse affleurer les terrains plus anciens après érosion. Sur la carte, les limites sont décalées de part et d'autre du trait de faille.

Un massif granitique intrusif. Il apparaît comme une plage à contour irrégulier recoupant les structures encaissantes, souvent bordée d'une auréole de métamorphisme de contact.

Une discordance. Un terrain unique repose successivement sur plusieurs terrains d'âges différents.

Ordres de grandeur utiles. À l'échelle du cinquante millième, un centimètre sur la carte représente cinq cents mètres sur le terrain. Il faut savoir en déduire immédiatement l'épaisseur réelle d'une couche ou la longueur d'un trait de coupe. Les pendages d'un bassin sédimentaire sont de l'ordre de un à quelques degrés, ceux d'une zone plissée peuvent atteindre la verticale. Une exagération verticale sur une coupe déforme les pendages, il faut donc la signaler quand on l'utilise et éviter de l'utiliser si l'on veut respecter la géométrie.

Méthodes et savoir-faire

Réaliser une coupe géologique à main levée à partir d'un profil topographique fourni. La démarche est fixée et s'exécute dans l'ordre.

Choisir le trait de coupe, perpendiculairement à la direction des structures, de façon à traverser le maximum de terrains.

Reporter le profil topographique, en respectant l'échelle horizontale et en gardant la même échelle verticale.

Reporter sur ce profil, à leur position, les points d'intersection du trait avec chaque limite géologique et avec chaque faille.

Prolonger en profondeur en respectant les pendages lus sur la carte et en conservant une épaisseur constante pour chaque couche.

Raccorder les terrains d'un côté à l'autre des failles en respectant le jeu déduit de la carte, puis figurer les plis.

Compléter par le figuré de chaque terrain, la légende, l'orientation et les échelles.

Réaliser un schéma structural. Il s'agit de simplifier la carte pour n'en garder que l'essentiel. On regroupe les terrains en grands ensembles, par exemple socle, couverture sédimentaire, massifs magmatiques, formations superficielles. On reporte les accidents majeurs, failles et axes de plis, ainsi que les discordances et les contours des massifs intrusifs. On accompagne le schéma d'une légende hiérarchisée.

Établir une histoire régionale simplifiée. On dresse la liste des événements, sédimentation, déformation, magmatisme, métamorphisme, érosion. On les ordonne en appliquant les principes de datation relative. On les date de façon relative avec les âges des terrains concernés, en encadrant chaque événement entre le terrain le plus récent qu'il affecte et le terrain le plus ancien qu'il n'affecte pas. On rédige enfin le récit dans l'ordre chronologique, du plus ancien au plus récent.

Identifier une roche par une analyse macroscopique raisonnée. La démarche est arborescente. On cherche d'abord si la roche est entièrement cristallisée, si elle contient des cristaux visibles, si elle présente une orientation ou une schistosité, si elle est faite de grains agglomérés, si elle réagit à l'acide. On conclut d'abord sur la famille, magmatique, sédimentaire ou métamorphique, puis sur le nom, en s'appuyant sur les minéraux reconnus.

Exploiter les indices d'exploitation. Le repérage des carrières, mines et forages se relie à la nature des terrains. Une carrière dans un calcaire renvoie à un granulat ou à une cimenterie, un forage dans une formation poreuse et perméable renvoie à un aquifère ou à un réservoir.

Croiser carte et risques. On identifie les formations instables sur pente, les zones inondables au regard des alluvions récentes, les formations effondrables liées à des roches solubles, et on relie ces informations à l'occupation du sol.

Ce qu'il faut savoir mobiliser en colle et à l'écrit

• Énoncer ce que représente une carte géologique et pourquoi c'est un modèle révisable et non une observation directe du sous-sol.
• Déduire le pendage des couches de la forme de leurs limites par rapport aux courbes de niveau, et vérifier par l'ordre des terrains.
• Distinguer anticlinal et synclinal par l'âge des terrains affleurant au cœur de la structure, indépendamment du relief.
• Repérer une faille et déterminer le compartiment abaissé, puis la dater relativement par le principe de recoupement.
• Repérer une discordance et en tirer la succession déformation, érosion, reprise de sédimentation, avec la lacune associée.
• Réaliser une coupe à main levée en respectant pendages, épaisseurs et échelles, avec légende complète.
• Reconnaître les huit roches de la liste par une analyse macroscopique raisonnée, et justifier chaque étape du raisonnement.
• Piège fréquent, faire correspondre systématiquement anticlinal et relief positif. Autre piège, appliquer la règle des V sans vérifier les symboles de pendage, ou oublier l'échelle verticale sur une coupe.

Notions et mécanismes clés

• Affleurement : endroit où la roche est visible ou située juste sous les formations superficielles. La carte figure ces roches, pas le sol.
• Direction d'une couche : orientation d'une horizontale contenue dans le plan de la couche, repérée par rapport au nord.
• Pendage : angle entre le plan de la couche et l'horizontale. On le mesure perpendiculairement à la direction et on précise toujours son sens.
• Épaisseur réelle : distance entre le mur et le toit, mesurée perpendiculairement à la couche. Elle diffère de la largeur d'affleurement, qui dépend du pendage et du relief.
• Série normale ou renversée : dans une série normale, le terrain le plus récent est au-dessus. Un renversement se prouve par l'ordre des âges.
• Contact anormal : contact d'origine tectonique entre deux terrains qui ne se sont pas déposés l'un sur l'autre. C'est le cas d'une faille ou d'un chevauchement. Le contact d'une intrusion avec son encaissant est un contact intrusif, à distinguer.
• Faille normale et faille inverse : dans une faille normale, le compartiment situé au-dessus du plan de faille s'abaisse, ce qui traduit une extension. Dans une faille inverse, il monte, ce qui traduit un raccourcissement.
• Rejet : déplacement relatif des deux compartiments d'une faille, estimé par le décalage d'une même limite.
• Fermeture périclinale : terminaison d'un pli dont l'axe plonge. Les limites s'y referment en arc.
• Discordance angulaire : surface d'érosion séparant une série déformée d'une série déposée ensuite, souvent lors d'une transgression marine.
• Lacune : intervalle de temps non enregistré, soit par absence de dépôt, soit par érosion des dépôts.
• Auréole de contact : zone de l'encaissant recristallisée par la chaleur d'une intrusion, sans schistosité acquise.
• Subsidence : enfoncement progressif du fond d'un bassin. On la mesure par l'épaisseur de sédiments déposés sous une faible tranche d'eau.
• Cuesta : relief dissymétrique né de l'érosion différentielle d'une alternance de couches dures et tendres faiblement inclinées.
• Texture : premier caractère à nommer. Grenue, elle traduit un refroidissement lent en profondeur. Microlitique, un refroidissement rapide en surface. Foliée, une recristallisation sous contrainte.
• MNT et SIG : un modèle numérique de terrain donne l'altitude sur une grille de points. Un système d'information géographique superpose des couches de données géoréférencées pour produire une carte thématique.

Chaînes de raisonnement

De la forme d'une limite au pendage. La limite d'une couche est l'intersection de son plan avec le relief. Une couche horizontale suit donc les courbes de niveau, une couche verticale ignore le relief. Entre les deux, plus le pendage est faible, plus la limite épouse la topographie et plus les V sont aigus et allongés dans les vallées. Plus le pendage est fort, plus les V s'ouvrent, jusqu'au trait rectiligne de la couche verticale.

De l'âge du cœur au type de pli. Le plissement déforme une série d'abord déposée en ordre normal. L'érosion fait apparaître au cœur d'un anticlinal les couches les plus anciennes, au cœur d'un synclinal les plus récentes. Le relief n'intervient pas, car il dépend de la dureté des roches exposées au cœur.

Du décalage d'une limite à la faille et à son âge. Une limite interrompue puis reprise plus loin trahit un déplacement le long d'un trait de faille. Pour des couches horizontales, le compartiment abaissé est celui où la même limite affleure plus bas, ou celui où affleurent des terrains plus récents à même altitude. La faille est postérieure au terrain le plus récent qu'elle décale et antérieure au plus ancien qui la recouvre sans être décalé.

D'une discordance à une déformation passée. Une série horizontale repose sur la tranche de couches inclinées. Celles-ci ont donc été déformées puis tronquées avant le dépôt de la série supérieure. La déformation se date entre le terrain le plus récent déformé et le plus ancien de la série discordante, et révèle une phase tectonique dont la carte ne garde que la cicatrice.

De l'épaisseur des sédiments à la subsidence. Un sédiment de plate-forme se dépose sous quelques dizaines de mètres d'eau au plus. Si l'on en trouve plusieurs kilomètres empilés, le fond s'est enfoncé à peu près au rythme du remplissage. Si un même étage s'épaissit vers le centre, la subsidence y était plus forte, d'où la géométrie en cuvette.

De la texture à l'histoire d'une roche. Basalte et gabbro ont la même composition chimique et les mêmes minéraux principaux. Seule la texture les distingue. Elle traduit la vitesse de refroidissement, donc le lieu de cristallisation : coulée en surface pour le basalte, chambre magmatique profonde pour le gabbro.

De la carte au risque. La carte indique la roche présente sous chaque parcelle. Le gypse se dissout, les argiles gonflent et se rétractent, les marnes glissent sur les pentes, les alluvions récentes marquent le lit majeur. En croisant ces données avec l'occupation du sol dans un SIG, on passe de l'aléa au risque, qui suppose des enjeux exposés.

Exemples et références à connaître

1. Échelles. Au 1/50 000, 1 mm représente 50 m et 1 cm représente 500 m. Au 1/1 000 000, 1 cm représente 10 km. L'équidistance des courbes de niveau figure dans le cartouche.
2. La carte de France au 1/50 000. Éditée par le BRGM, elle compte environ un millier de feuilles, chacune avec une notice décrivant terrains, forages et ressources. Sa consultation en ligne, superposée à d'autres couches, est un exemple concret de SIG.
3. Le Bassin parisien au 1/1 000 000. Trias et Jurassique en périphérie, notamment à l'est, Crétacé ensuite, Cénozoïque au centre autour de Paris. Pendages d'un ou deux degrés vers le centre, environ 3 km de sédiments au centre. La chronologie détaillée du remplissage n'est pas exigible.
4. Les côtes de l'est du bassin. Côtes de Moselle, de Meuse, de Champagne et d'Île-de-France. Leurs fronts regardent vers l'est, donc vers l'extérieur du bassin. C'est l'exemple type de cuesta.
5. Les massifs de socle en bordure. Massif armoricain, Massif central, Vosges, Ardennes. Roches métamorphiques et plutons granitiques sur lesquels la couverture repose en discordance.
6. Ressources et risques du sous-sol parisien. La craie est un aquifère majeur. Calcaires et gypse ont été exploités en carrières souterraines, dont les effondrements, aggravés par la dissolution du gypse, constituent un aléa. L'exemple relie indices d'exploitation et risques.
7. Siccar Point, en Écosse. James Hutton y a vu, à la fin du XVIIIe siècle, la preuve d'un temps géologique très long. Une discordance porte à la fois une chronologie et une durée.
8. Minéraux en lame mince, en lumière polarisée non analysée (LPNA) et analysée (LPA).
   • Quartz : limpide, gris à blanc en LPA, sans clivage.
   • Olivine : très fracturée, teintes vives en LPA.
   • Plagioclase : macles polysynthétiques en bandes.
   • Orthose : souvent une seule macle qui partage le cristal en deux.
   • Biotite : brune et pléochroïque en LPNA.
   • Muscovite : incolore en LPNA, teintes vives en LPA.
   • Pyroxène : clivages proches de 90°.
   • Amphibole : clivages proches de 120°.
   • Grenat : section arrondie, éteint en LPA.
   • Calcite : teintes très claires et irisées en LPA, clivages rhomboédriques.
9. Exagération verticale. Si l'échelle verticale vaut k fois l'échelle horizontale, la tangente du pendage apparent est multipliée par k. Avec k = 5, un pendage de 5° apparaît à environ 24°.

Techniques

Lire une carte dans un ordre fixe

Cartouche, échelle et orientation d'abord. Puis la légende, du plus récent au plus ancien. Puis la topographie : vallées, sens d'écoulement, sommets. Enfin les structures : pendages, failles, plis, discordances, intrusions.

Mini-exemple. La légende montre des alluvions, du Crétacé, du Jurassique et un granite à part. Tu sais d'emblée qu'il y a un socle et une couverture, donc probablement une discordance à localiser.

Mesurer un pendage et une épaisseur

Deux points d'une même limite à la même altitude définissent la direction. Soit d la distance horizontale entre cette droite et un point de la limite situé Δh plus haut ou plus bas. Alors tan α = Δh / d.

Mini-exemple. Sur une carte au 1/50 000, une limite coupe deux fois la courbe 200 m. Elle coupe la courbe 300 m en un point situé à 1 cm de la droite joignant ces deux intersections, mesuré perpendiculairement. Donc d = 500 m, tan α = 0,2 et α vaut environ 11°. Une couche affleurant sur un plateau horizontal en une bande de 2 cm de large, mesurée perpendiculairement à la direction, soit 1 000 m, avec un pendage de 5°, a une épaisseur de 1 000 × sin 5°, soit environ 87 m.

Raccorder à travers une faille sur la coupe

Trace d'abord la faille. Un tracé rectiligne indépendant du relief signale un plan subvertical. Prolonge chaque compartiment séparément. Vérifie que le décalage est le même pour toutes les limites. Sinon, une épaisseur varie ou une seconde faille existe.

Construire un schéma structural

Regroupe les terrains en quatre à six ensembles. Trace les accidents majeurs en trait fort et souligne les discordances. Légende hiérarchisée : sédimentaire du plus récent au plus ancien, puis magmatique et métamorphique, puis symboles.

Mini-exemple. Quinze étages sédimentaires, deux granites et des micaschistes se réduisent à trois ensembles : socle métamorphique et plutonique, couverture mésozoïque, formations cénozoïques et superficielles. S'y ajoutent deux failles et un axe synclinal.

Encadrer un événement

La borne ancienne est le terrain le plus récent affecté. La borne récente est le terrain le plus ancien non affecté. Donne toujours les deux.

Mini-exemple. Un filon de basalte recoupe le Jurassique supérieur et s'arrête sous l'Éocène. Il est postérieur au Jurassique supérieur et antérieur à l'Éocène.

Identifier une roche par une clé à questions

Entièrement cristallisée ? Orientée ? Réaction à l'acide ? Grains cimentés ? Quels minéraux ? Nomme la famille avant la roche, et justifie chaque étape par un caractère observé.

Sujets classiques traités

Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.

Erreurs fréquentes