Description des affleurements et pétrographie des laves du "volcan" de Thélod

Le "volcan" de Thélod (prononcer "Tlo") affleure aujourd'hui sous la forme de deux pointements situés au NNO du village éponyme, à 360m d'altitude environ sur une colline boisée appelée "Le Mont" qui culmine à 451 m (fig.2).

Fig.2 : Le Mont vu depuis la D52 entre Marthemont et Thélod (cliché © BRGM).

Des roches volcaniques peuvent être observées et échantillonnées sur quelques affleurements discontinus répartis au pied et sur le flanc de deux petites buttes superposées (fig.3). En arrivant depuis l'ouest (fig.1), l'accès se fait par la partie haute du gisement, au niveau de la butte supérieure formant la partie sud-ouest du pointement (fig.3). A proximité du chemin menant au site apparaissent, ça et là, des affleurements de roches mises au jour grâce à quelques souches d'arbres arrachés lors des tempêtes que la région a subies ces dernières années. Il est ainsi possible de repérer la transition entre roches volcaniques et roches encaissantes constituées de calcaires bajociens granuleux à patine ocre, et même si un contact direct et franc entre les formations n'a pu être observé, celui-ci semble se situer à hauteur d'un fossé qui borde la partie ouest du gisement (fig.3). Les roches encaissantes ne semblent pas être affectées par la venue volcanique : elles ne présentent en effet ni trace apparente de métamorphisme de contact, ni perturbation de leur pendage.

Fig.3 : Plan du gisement de basalte de Thélod (A-B: emplacement de la coupe de la fig.9).

Fig.4 : Le sommet du gisement, affleurement de "basalte" porphyrique.

Les roches volcaniques affleurent au pied d'un arbre et un volume conséquent d'éboulis permet d'échantillonner à cet endroit (fig.4). Il s'agit d'une roche sombre et dense, mafique, gris foncé, assez altérée et patinée en surface. Elle fait de suite penser à une lave basique porphyrique (fig.5), à un basalte ou une autre roche apparentée qui serait sous-saturée.

Fig.5 : Échantillon de "basalte" porphyrique à phlogopite (1: zoom sur les gros phénocristaux de phlogopite).

Fig.6 : Comparaison de 2 faciès observés à Thélod. Lames minces observées au microscope polarisant en LPNA avec le même grossissement (échelle donnée par le segment). Remarquer le caractère très porphyrique sur la première lame (phénocristaux altérés de phlogopite et amphibole), les plages blanches comme vacuolaires de calcite et l'extrème richesse de la mésostase en petits cristaux d'oxydes noirs.

Les principaux phénocristaux automorphes originels ne subsistent qu'à l'état de reliques et ne sont plus reconnaissables qu'à leur habitus et leurs clivages (fig6 et 7). Ont été observés en macro- et/ou microscopie optique ou éléctronique, de gros cristaux de mica phlogopite complétement transformé (à l'exception de quelques plages reliques découvertes lors des analyses à la microsonde) en chlorite et minéraux argileux, des fantômes d'amphiboles (hornblendes ?) reconnues à leurs formes allongées ou losangiques et à leurs clivages à 120°, des reliques de clinopyroxènes trapus (quelques plages préservées analysées à la microsonde indiquent une composition de diopside) ainsi que de très probables anciennes olivines complétement serpentinisées et iddingsitisées. Quelques cristaux allongés d'apatite complètent la paragenèse des phénocristaux. Aucun minéral apparenté aux feldspaths ou aux feldspathoïdes n'a été observé, mais ces phases peuvent cependant être contenues de façon normative dans le verre originel. De nombreuses plages de calcite primaire, à apparence "vacuolaire", frangées d'une auréole jaunâtre contenant de petits cristaux prismatiques allongés automorphes de chlorite (fig8), souvent associées à des cristaux de baryte, sont dispersées dans la roche. La mésostase est constituée d'une pâte sombre probablement vitreuse à l'origine mais complètement déstabilisée et recristallisée aujourd'hui, riche en petits fantômes de silicates (petites olivines ?), en petits cristaux d'oxy-hydroxdes de fer (goethite) et surtout de minéraux titanifères variés (Ilménite, spinelle et pérovskite, déterminés et analysés à la microsonde).

Fig. 7: Photographies en macroscopie de la Lame 2 à la même échelle en LPNA puis LPA. Cristal de phlogopite à droite reconnaisssable à son clivage selon l'allongement ; vacuole de calcite au centre et nombreux oxydes dans la mésostase.

Fig.8: Zoom sur la bordure d'un amas de calcite. Remarquer la frange de petits cristaux aciculaires de chlorite et les cristaux de baryte à fort relief.

Ces roches mafiques très riches en minéraux silicatés colorés magnésiens, très basiques, riches en divers oxydes de titane (spinelle, ilménite, pérovskite et titano-magnétite) et en carbonates primaires ainsi qu'en d'autres minéraux accessoires originaux de basse température comme l'apatite et la baryte, possèdent une minéralogie qui est très originale. La paragenèse de cette roche n'avait pas encore été décrite de façon aussi détaillée. Une telle association minérale s'apparente à celles décrites dans les carbonatites^[10][11][12] comme les alvikites^[13].L'origine des carbonates de cette roche serait magmatique et non consécutive à des phénomènes d'altération comme cela était supposé dans certaines de ses descriptions précédentes^[3][4][5]. La description pétrographique conforte l'hypothèse de départ (ie) basalte ou roche plus sous-saturée apparentée, mais celle-ci est impossible à qualifier avec plus de précision sans analyses chimiques détaillées (majeurs, traces et terres-rares).

Des veines de calcite traversent les affleurements. Ces formations semblent secondaires et pourraient résulter de précipitations de carbonates dissous.  En terrain calcaire, il est en effet fréquent que des eaux chargées en carbonates dissous se dégazent et viennent précipiter ultérieurement ceux-ci dans les fissures. Si l'hypothèse "magmatisme carbonatitique" était confirmée par des analyses, alors ces injections pourraient aussi être contemporaines de la mise en place des cheminées volcaniques. Des investigations plus poussées (échantillonnages, lames, analyses) doivent donc être menées sur ces veines de carbonates.

D'autres affleurements sont regroupés plus loin en contre-bas des premiers. On y accède en passant la clôture et en suivant un petit sentier qui contourne le site par le le nord. On arrive alors sur le flanc d'une deuxième butte dont le sommet forme un ressaut au pied de la première. Les éboulis permettent là aussi un échantillonnage facile. Les roches présentent un faciès différent moins porphyrique à cet endroit (fig.7 et 8). Cette roche est très dense et présente une paragenèse identique à la précédente : richesse en oxydes, minéraux colorés, plages de calcite ...

Fig.8 : La base du gisement et l'affleurement de "basalte" aphyrique (cliché © BRGM) et échantillon grossi.

Dans la pente, des accumulations d'éboulis se succèdent jusqu'aux barbelés et le passage à la prairie. Au débouché des terriers de blaireaux, bien repérables dans le sous-bois, sont ramenés des échantillons de roches extraits du sous-sol par ces animaux. On y trouve, vers la base de la butte mêlés aux fragments de roche magmatique, des morceaux d'argilite noire du Toarcien, indiquant la proximité de la limite nord-est du gisement de roches volcaniques (fig.3 et 9). Au total, ce gisement, interprété comme une relique de plusieurs cheminées d'un édifice volcanique érodé, constituerait une aire à peu près circulaire de 150 à 200 m de diamètre.

Fig.9 : Coupe schématique du gisement de "basalte" deThélod.

À proximité du site, les labours qui rejoignent la route D52 en contrebas de la colline du Mont révèlent la présence de nodules calcaires parfois riches en fossiles, notamment en ammonites du genre Pleuroceras (P. spinatum) caractéristique du Domérien (Pliensbachien supérieur) (fig.10).

Fig.10 : Ammonites du genre Pleuroceras dans un nodule calcaire récolté en champ.

Interprétation et contexte géodynamique de mise en place de l'épisode volcanique de Thélod

Le promontoire de roche volcanique de Thélod, dont les caractéristiques pétrographiques différaient beaucoup des autres types de roches (sédimentaires) alentour, a depuis longtemps suscité la curiosité des scientifiques qui se sont intéressés à la géologie de la Meurthe-et-Moselle. Faute d'analyses chimiques détaillées en laboratoire, le nom et la composition de la roche sont restés incertains, imprécis, voire énigmatiques, et une part d'incertitude demeure encore de nos jours.

Un des premiers à faire état de la "roche de Thélod" dans la littérature est l'ingénieur des mines Levallois qui, en 1847, plutôt que de roche éruptive, y voit l'occurrence de "marnes supraliasiques converties en pierres sonores... par une action ignée"^[1].

Un autre ingénieur des mines, Braconnier, en 1879, complète les observations de Levallois sur la roche de Thélod par des analyses chimiques et confirme l'origine "métamorphique" de cette roche qu'il considère comme "le résultat d'une modification des marnes par des sources à une température élevée"^[2].

Grâce à des observations au microscope, Bleicher publie en 1882 une analyse des minéraux et un dessin de lame mince en lumière analysée de la roche de Thélod qu'il identifie comme un "basalte scoriacé à mica magnésien et contenant de la calcite d'origine secondaire, issue de l'altération de la roche"^[3].

Lors de l'établissement de la 2^ème édition de la carte géologique de Nancy au 1/80000^ème, en 1913, Nicklès et Joly cartographient le gisement de Thélod comme "massif andésitique" et la roche est décrite comme très altérée et correspondant à une "andésite à mica noir, avec cristaux kaolinisés de feldspath et cristaux chloritisés de pyroxène"^[4]. Le gisement est interprété comme la cheminée d'un volcan disparu. Une description similaire sera reprise par Maubeuge^[5], faisant mention de "labradorite andésitique" pour la publication de la carte géologique de Vézelise au 1/50000^ème en 1963. Le gisement figure toujours en tant que massif andésitique sur les cartes actuelles.

Replacée dans le contexte géodynamique de sa genèse, la roche de Thélod "redevient" un "basalte porphyrique à biotite", suite aux travaux de datation par radiochronologie d'une équipe de géologues allemands, Baranyl et al. en 1976, dans le cadre d'une étude sur le rifting rhénan^[6]. C'est également sous ce nom que la lave de Thélod est citée dans la notice de la révision de la carte géologique du département des Vosges éditée par le BRGM en 2008.

Des déterminations récentes de minéraux à la microsonde confirment en partie les observations de Bleicher (1882), pertinentes pour l'époque, mais infirment les autres descriptions et interprétations pétrographiques qui s'avèrent être souvent plus imprécises voire fantaisistes. Dans ce qui a été préservé de l'altération et qui a pu être analysé (cette étude fera l'objet d'une publication par ailleurs), le travail en cours confirme bien la richesse en mica magnésien (phlogopite), la présence d'apatite, de plages de calcite primaire mêlée à des petits cristaux prismatiques de chlorite et de baryte (non liée à l'altération comme le suggérait Bleicher) ainsi que d'une étonnante variété de minéraux titanifères (sphène, ilménite, perovskite et titano-magnétite).

Si elles sont un jour réalisées, des analyses géochimiques complètes (éléments majeurs, éléments traces, terres-rares, isotopes) permettront de préciser la géochimie exacte de la roche de Thélod, comme ce fut le cas pour les roches volcaniques du gisement d'Essey-la-Côte près de Bayon (fiche Essey-la-Côte)^[9].

L'origine de l'épisode volcanique de Thélod doit être rattachée à l'activité magmatique pré-rift qui a affecté l'ouest de l'Europe dès la fin du Crétacé et qui a perduré jusqu'à l'Oligocène Inférieur. Les laves de Thélod sont datées du Crétacé supérieur (entre 74 et 67 Ma - Campanien - Maastrichtien). Ce sont actuellement les plus anciennes laves connues en rive gauche du rift rhénan^[8][9].

Une trentaine d'autres cheminées ou appareils volcaniques rattachés au même phénomène existent :

- en Lorraine et dans le massif vosgien : au Grand Valtin, au Frauenkopf, à Essey La Côte (27,6 +/- 1,8 Ma - Oligocène supérieur - fiche Essey la Côte), aux Trois Épis (61 Ma - Paléocène), au carrefour du Cerisier Noir à Ribeauvillé, à l'Oberberg à Riquewihr ...^[9];

- dans l'axe du rift au Kaiserstuhl (17,5 à 16 Ma - Miocène - fiche Kaiserstuhl) ;

- en rive droite du rift dans la Forêt Noire.

Le magmatisme pré-rift rhénan est très semblable par sa composition typiquement alcaline à celui qui plus tardivement préparera l'activité magmatique dans le Massif-Central^[9]. Les laves évoluent depuis des termes très sous-saturés (néphélinites à olivine, mélilites à olivine, ankaratrites, basanites ...), des carbonatites, en passant par des basaltes et jusqu'à des magmas silicatés différenciés.

Seul le pointement basaltique de Gundershoffen-Reichschoffen (44 Ma - Eocène) est de nature tholéiitique (fiche Soultz-Sous-Forêts).

Le Rift Ouest Européen ou ROE^[8] comprend trois ceintures concentriques (Bohême, Province Rhénane, Massif Central). Cette répartition suggère un lien étroit entre l'activité magmatique, en particulier celle qui nous concerne ici, et l'orogène alpin^[8].

Fig.11 : Provinces magmatiques en lien avec l'orogenèse alpine (tiré de la thèse de L. Michon 2000)^[8].

L'activité magmatique peut être divisée en trois épisodes distincts^[8]:

- Une première phase qui s'étend du Crétacé Supérieur à l'Eocène (stade pré-rift) et qui affecte des zones en surrection ; le magmatisme y est diffus avec des volcans monogéniques localisés comme à Thélod.

- Du Priabonien (fin de l'Eocène), durant l'Oligocène et jusqu'au Miocène Inférieur, on observe une extension perpendiculaire à la chaine alpine avec sédimentation et quelques venues magmatiques dispersées (Essey-la-Côte ...) et très diffuses (stade syn-rift) : ces manifestations sont typiques d'une évolution en rift passif.

- Après un hiatus tectonique et magmatique, une importante phase eruptive (stade post-rift) sans sédimentation associée prend place au Miocène au sein des régions comportant un rift passif mais également dans des régions qui n'avaient jusqu'alors pas été affectées. Cet épisode contemporain de la surrection des provinces volcanisées est typique d'un fonctionnement en rift actif (magmatisme du Kaiserstuhl ...).

Une contribution à la banque Orage est en cours de relecture^[14].

Nous tenons à remercier:

- Mme Françoise Chalot-Prat (Maitre de Conférences - Université de Lorraine) pour son aide dans la détermination pétrographique initiale.

- Mme Karine Pistre (Ingénieur de recherches - Laboratoire Géoressources - Université de Lorraine) pour son aide dans la détermination pétrogaphique ainsi que pour ses excellentes photos de lames minces.

- Mr Bernard Lathulière (Professeur émérite - Université de Lorraine) et Mr. Vincent Huault (Maître de conférences - Université de Lorraine) pour leur indéfectible soutien.

- Mr Olivier Rouer (Docteur-Ingénieur au Service Commun de Microscopies Electroniques et Microanalyses X - Université de Lorraine) pour son aide précieuse dans la caractérisation fine de la paragenèse à la microsonde, en particulier celle de tous les minéraux accessoires.

- La plateforme de lithopréparation du Laboratoire Géoressources - Université de Lorraine et le Centre Terrae-Genesis pour leurs lames minces.

Bibliographie

(1) Levallois J.-J. (1847) - Notice sur des roches d'origine ignée (avec talc et fer oxydulé) observées au milieu des marnes supra-liasiques à la coté de Thélod (arrondissement de Nancy, département de la Meurthe). Lue dans la réunion extraordinaire de la Société géologique de France, le 16 sept. 1847. Nancy.

(2) Braconnier A. (1879) - Description des terrains qui constituent le sol du département de la Meurthe-et-Moselle. Nancy: Préfecture de Meurthe-et-Moselle.

(3) Bleicher G. (1882) - Minéralogie micrographique sur la roche de Thélod et sur le basalte d'Essey-la-Côte. Bull. Soc. Sciences de Nancy, sér. II, tome VI, fasc. XIV.

(4) Nicklès R., Joly H. et Merle A. (1913) - Carte géologique détaillée de la France au 1/80000ème. 2ème édition. Paris : Service de la carte.

(5) Maubeuge P.J. (1963) - Notice de la Carte Géologique au 1/50 000  Feuille de Vézelise, BRGM Ed., 6 pages.

(6) Baranyl L., Lippolt H.J. et Todt W. (1976) - Kalium-Argon Alterbestimmungen an tertiären vulkaniten des Oberrheingraben- Gebietes. II: Die Altertraverse vom Hegau nach Lothringen. Öbennheln. geol. abh., Каrlsruhe, 25.

(7) Brousse R. et Lefèvre C. (1990) - Le volcanisme en France et en Europe limitrophe, Masson Paris Coll. Guides Géologiques Régionaux, 262 pages.

(8) Michon L. (2000) - Dynamique de l'extension continentale-Application au Rift Ouest-Européen par l'étude de la province du Massif-Central, Thèse d'Université, Clermont-Ferrand, 266 pages.

(9) Velde D. et Thiebaut J. (1973) - Quelques précisions sur la constitution minéralogique de la néphélinite à olivine et mélilite d'Essey-La-Côte (Meurthe et Moselle), Bull. Soc. Fr. Mi. crist., tome 96, 6 pages.

(10) Kamenetsky V.S., Doroshkevich A.G., Elliott H.A.L. et Zaitsev A.N. (2010) - Carbonatites: Contrasting, Complex, and Controversial. Mineralogical Magazine, 74, pp.803-820.

(11) Van Wambeke L. (1995) - Les carbonatites: Origine, Minéralogie et importance économique actuelle : La contribution belge et de l'Union Européenne. Bulletin de la Société Belge de Géologie, tome 104, 3-4, pp. 291-299.

(12) Ackerman L, Rapprich V., Polak L., Magna T., McLemore, V.T., Pour O. et Cejkova B. (2021) - Petrogenesis of silica-rich carbonatites from continental rift settings: A missing link between carbonatites and carbonated silcate melts?. Journal of Geosciences, 66, pp.71-87.

(13) D'Orazio M., Innocenti F., Tonarini S. et Doglioni C. (2007) - Carbonatites in a subduction system: the Peistocene alvikites from Mt Vulture (southern Italy). Lithos, 98.1, pp.313-334.

(14) Martin P., Pistre K., Rouer O. et Zany D. (2024) - Thélod (54) : Laves du Crétacé sup. - Le Mont. Contribution Orage n°, 5 pages et 6 planches.