Géomorphologie, histoire et géologie

La "Colline de Sion-Vaudémont" ou "Colline inspirée" (fig.3) est une butte-témoin de la Côte de Moselle, en forme de fer à cheval, qui culmine à 541 mètres au niveau du Monument Barrès (flèche édifiée à la mémoire de l'écrivain et homme politique Maurice Barrès 1862-1923) et constitue un repère visible de très loin alentour. Elle permet une observation à 360°. Elle a donc toujours constitué un excellent site stratégique, occupé dès l'Âge du Bronze et à l'époque gauloise (oppidum) puis à l'époque romaine, avant de devenir plus récemment un haut-lieu de culte catholique ainsi que de pélérinage par sa basilique consacrée à Notre-Dame (voir aussi la video du LOTERR - Univ. de Lorraine¹).

Fig.3 : Vue du versant ouest de la colline de Sion-Vaudémont

Les principaux bélvédères d'observation du paysage se situent tout au sud de la colline à l'emplacement du Monument Barrès (vues sur la butte de Pulney, le Mont Curel', le Xaintois (= équivalent vosgien du Saintois) et le Massif des Vosges - fig.7) et, tout au nord, sur le chemin de ronde ou chemin de croix qui fait le tour de la basilique Notre-Dame de Sion : vues sur la plaine du Saintois (= équivalent meurthe-et-mosellan du Xaintois vosgien), la Côte de Moselle, d'autres buttes-témoins comme le Mont Anon, le Toulois et la Côte de Meuse, et, en arrière du "volcan" d'Essey-la-Côte, le rebord oriental du Grès vosgien, barrant l'horizon au levant - fig.4.

Fig.4 : Vue vers le nord sur la plaine du Saintois et le relief de côte depuis la table d'orientation du chemin de croix de Sion - cliquer sur l'image pour l'agrandir

La butte témoin de Sion-Vaudémont est chapeautée par les calcaires bajociens (Jurassique Moyen = Dogger) constitutifs de la Côte de Moselle (fig.5). Cette série carbonatée du Bajocien inférieur peut être observée et échantillonnée à proximité, sur la côte, à Tramont-Lassus (4 km à vol d'oiseau au SO de Sion), dans une carrière exploitée sporadiquement (société Paul Calin - 88300 Harchéchamp) : voir la publication (2021) de l'Observatoire Régional des Affleurements Géologiques (ORAGE) ICI.  La cuesta bajocienne domine de 200 m la dépression orthoclinale liasique du Xaintois et du Saintois qui s'étend à son pied. Ces terrains argilo-marneux sont riches en schistes bitumineux et montrent une instabilité qui a posé et pose encore de nombreux problèmes dans le domaine du génie civil (voir les fiches They-sous-Vaudémont et Sexey-aux-Forges qui décrivent les instabilités des terrains du Toarcien ou "Schistes-Carton").

Fig.5 : Position des terrains de la Colline de Sion dans la série stratigraphique locale - à gauche, âges en millions d'années (© BRGM modifié).

D'autres buttes-témoins reproduisent le même phénomène plus au sud à Pulney et au Mont Curel (fig.7).

La spécificité de ce relief relique positionné en avant de la Côte de Moselle est due à un jeu de failles normales conjuguées (voir un extrait des cartes géologiques de Vézelise et Châtenois : ICI). La faille de Praye (fig.6), située au nord de la butte de Sion-Vaudémont et orientée est-ouest, abaisse d'une centaine de mètres le compartiment sud. Elle est à l’origine de la conservation des calcaires bajociens, reposant dans une légère dépression synclinale, lors de la morphogenèse du relief de côte par les processus érosifs (Le Roux, 2014).

Fig.6 : Vue de la colline de Sion-Vaudémont depuis le nord - cliquer sur l'image pour obtenir une lecture du paysage

Au sud-ouest, la faille de They-sous-Vaudémont (fig.7) délimite un autre compartiment effondré, occupé par le Mont Curel et la butte de Pulney culminant à 522 m. Ces trois collines voisines du paysage saintois représentent donc des structures en inversion de relief, préservées dans un compartiment effondré, limité par des failles (fig.8). À ce titre, la Colline de Sion constitue un géomorphosite remarquable à valeur patrimoniale (Harmand, 2020).

Fig.7 : Vue vers le sud-ouest sur la butte de Pulney et le Mont Curel depuis le Monument Barrès - cliquer sur l'image pour obtenir une lecture du paysage

Fig.8 : Blocs diagrammes montrant le relief actuel de la colline de Sion-Vaudémont et sa restitution structurale avant érosion (d'ap. J. Le Roux, 2014)

Les célèbres "étoiles de Sion"

Le site de fouilles familial où l'on récolte les étoiles de Sion en bordure de la route D53 (fig.2) est en fait constitué de tas de déblais déplacés. Ils sont issus de travaux d'excavation pour les besoins en pierres calcaires inhérents à la construction d'un terrain d'aviation par l'armée américaine à Tantonville, en 1944 durant la Seconde Guerre Mondiale. Avec les années, en raison de la surfréquentation, les collectes d'étoiles deviennent et deviendront de plus en plus difficiles!

La formation d'où proviennent ces fossiles est celle du Calcaire à entroques caractérisant le Bajocien inférieur (Jurassique moyen) dans la série stratigraphique régionale (fig.5).

L'analyse pétrographique montre qu'il s'agit d'un calcaire à texture grainstone, souvent de couleur ocre, à l'aspect saccharoïde. Les principaux éléments (grains supports) de la roche sont des entroques, bioclastes à cassure brillante correspondant à un clivage cristallin naturel de la calcite ; ils sont issus de débris ou de plaques du squelette de crinoïdes (voir plus loin). La densité des articles de crinoïdes peut se révéler parfois très importante et donner ainsi une allure d'entroquite à la roche (cf. fig.13). Outre les étoiles, des coquilles de térébratules de petite taille, la rhynchonelle Cymatorhynchia, quelques bryozoaires, de rares rostres de bélemnites et divers mollusques gastéropodes ou bivalves dont Trichites régulièrement présent dans la série du Bajocien inférieur, complètent la liste (non exhaustive!) des fossiles récoltés à Sion. Ailleurs dans la région, des figures sédimentaires particulières propres aux tempestites (HCS ou Hummocky Cross Stratification, semelles d'érosion, rides de houle...) et des traces de bioturbation sont relevées dans le Calcaire à entroques. Ces inventaires faunistique et sédimentaire illustrent respectivement une faune marine majoritairement benthique de plate-forme carbonatée, évoluant dans un environnement dominé par la houle de tempête (offshore sup. à shoreface ou avant-plage - Lathuilière et al., 2003).

Fig.9 : Échantillons de calcaire à entroques bajocien récoltés à Sion - barre d'échelle = 1 cm - cliquer sur l'image pour zoomer sur l'échantillon de droite

Les étoiles de Sion sont des "pièces", des "articles de tiges" (= les entroques) du squelette calcaire de crinoïdes fossiles pédonculés aussi nommés "encrines". Ces animaux à symétrie pentaradiée, exclusivement marins, généralement à mode de vie benthique et fixé, étaient très abondants à certaines périodes dans les mers durant les ères Primaire et Secondaire.

note: La classe des Crinoïdes appartient à l'embranchement des Echinodermes qui comprend également les oursins (classe des Échinides), les "étoiles" de mer (classe des Astéries), les "concombres" de mer (classe des Holothuries) et les ophiures (Classe des Ophiuroïdes).

Les crinoïdes actuels² les plus fréquemement rencontrés sur nos côtes sont les comatules ou "lys de mer" (genre Antedon), une petite forme mobile sans "tige" vivant à faible profondeur, dans les mers tempérées et tropicales. Cependant, des crinoïdes pédonculés peuplent également les grandes profondeurs des océans (étages bathyal entre 200 et 2000 m de profondeur et abyssal au-delà de 2000 m). Plusieurs formes ont restauré l'usage d'une "tige" de fixation (genres Hyocrinus, Proisocrinus, Neocrinus...) et sont donc fixées sans toutefois compromettre complètement toute possibilité de locomotion (par reptation³). À l'extrémité de la tige, une couronne de bras se déploie dans le courant d'eau pour assurer la capture des particules en suspension dont se nourrit l'animal (fig.10).

Fig.10 : Isocrinide (crinoïde pédonculé à cirres nombreux) actuel en position de vie avec sa couronne de bras déployée - le courant arrivant de la droite (Bahamas, profondeur 692 m) - d'ap. Charbonnier et al. 2007 - cliquer sur le dessin pour visualiser un cliché de l'animal dans son milieu

Dans le registre fossile, durement touchés lors de la crise et la phase d'extinction permienne (fin du Paléozoïque), il y a 250 millions d'années, les crinoïdes ont une histoire évolutive à ré-écrire. Pendant le Trias et jusqu'au Jurassique inférieur, le groupe connaît une période de radiation à l'origine de l'émergence du groupe monophylétique des Articulata (sous-classe) incluant plusieurs ordres nouveaux. Ainsi, au tout début du Jurassique, les crinoïdes apparaissent comme un taxon déjà hautement diversifié, comprenant des morphologies avec ou sans tige (Hess et Thuy, 2018). Si les premières formes pédonculées (Trias inf. de l'Idaho - É-U.) sont initialement des animaux benthiques d'environnements de plate-forme externe, dominés par les tempêtes (offshore supérieur et profondeurs comprises entre 60m et 100m - Saucède et al., 2019), à partir du Jurassique moyen, ce groupe colonise l'ensemble du plateau continental et des envionnements marins moins profonds. Certaines formes adoptent même un mode de vie pseudo-planctonique, fixés sur des radeaux de bois flottants (Hunter et al., 2020). À l'issue de la crise biologique marquant la transition Mésozoïque-Cénozoïque, il y a 66 M.a., les crinoïdes "se réfugieront" dans les grands fonds, là où ils vivent encore aujourd'hui.

La détermination précise des étoiles de Sion, c'est-à-dire le genre et l'espèce d'appartenance, est délicate en raison de la rareté des squelettes complets préservés d'une part, et de la diversité importante de forme des pièces d'entroques qui ont été éparpillées après la mort de l'animal, d'autre part (voir fig.13). Un crinoïde pédonculé (isocrinide) comprend plusieurs parties : le calice entouré d'une couronne de bras répartis autour de la bouche de l'animal, la tige sur laquelle peuvent se greffer une série de cirres (fig.10) assurant pour partie la fixation de l'animal sur un substrat dur (cirres courts et robustes) ou vaseux sinon instable (cirres fins et longs).

À l'intérieur du calcaire à entroques, les pièces fossilisées sont principalement des articles de cirres ou de tige. Ces dernières portent le nom de columnales et sont reconnaissables à leur forme étoilée ou pentagonale ; cette morphologie pouvant par ailleurs varier selon leur position plus ou moins distale sur la tige (d'où l'importance d'une diagnose à partir d'un spécimen complet). Ce sont donc les columnales qui sont à l'origine du nom des étoiles. Parmi les columnales, se distinguent les nodales portant des points d'insertion de cirres (encoches latérales) et les internodales qui en sont dépourvues (fig.11). Plus le nombre de cirres est important, plus la proportion d'internodales diminue. Parfois, plusieurs columnales sont restées soudées ensemble (cf. fig.13) : si le fragment de tige comporte une séquence complète de columnales, c'est-à-dire, un ensemble d'internodales, limité à chaque extrémité par une ou plusieurs nodales, la pièce porte le nom de noditaxis. Sur certaines faces (ou facettes) des columnales, il existe des crénulations (= éléments d'articulation), dessinant des motifs pétaloïdes qui peuvent être utilisés comme critère de détermination générique.

Fig.11 : Types de columnales (articles de tige) chez un crinoïde pédonculé isocrinide (d'ap. Hess et al., 2002)

Les columnales récoltées à Sion (fig.12 et 13) sont peu épaisses et ne dépassent généralement pas 5 mm de diamètre (tri granulométrique lors du dépôt ou écophénotype de profondeur relativement faible ?). Les columnales de section pentagonale à subétoilée, à surfaces radiales (= espaces entre les branches de l'étoile) bien développées, à nodales très majoritaires, caractérisent le genre Pentacrinites mais aucune entroque véritablemment correspondante n'a été trouvée dans le gisement de Sion. Les morphes typiquement étoilés (ce qui n'exclut pas les formes pentagonales) peuvent appartenir à plusieurs genres rencontrés au Bajocien (B. Lathuilière, comm. orale) : Isocrinus, Chariocrinus ou encore Chladocrinus. Si l'espèce Isocrinus nicoleti est souvent citée dans la littérature, en l'état des connaissances sur ces taxons, rien ne permet de trancher de manière affirmative. 

Fig.12 : Cirrales et columnales dans le calcaire à entroques de Sion (loupe binoculaire x 30) - barre d'échelle = 1 mm

A : cirrale ogivale (Pentacrinites dargniesi ?)  ; B : à droite, cirrale ogivale (Pentacrinites dargniesi ?) ; à gauche columnale internodale (gr. Isocrinus-Chladocrinus-Chariocrinus) ; C : facette proximale d'internodale avec crénulations (gr. Isocrinus-Chladocrinus-Chariocrinus) ; D et E : cirrales circulaires ; zoarium de bryozoaire en bas à gauche sur le cliché E.

Fig.13 : Diversité de columnales et cirrales dans le calcaire à entroques bajocien de Chaligny (54) - cliquer sur l'image pour l'agrandir

Les cirrales sont plus petites (un à deux mm) et celles collectées, de forme circulaire, ovale ou ogivale-rhombiforme (fig.12). La section ogivale-rhombiforme de certaines pièces signifierait la présence de Pentacrinites dargniesi (genre et espèce à cirres très nombreux et très longs) dont la description des cirrales correspond (B. Lathuilière, comm. orale, Thuy B., 2005). Les autres peuvent être attribuées au trio Isocrinus - Chariocrinus - Chladocrinus voire à Pentacrinites sans autre distinction (De Loriol, 1886 ; Hess, 2012).

D'un point de vue paléoécologique, Isocrinus et Chladocrinus (parfois considéré comme un sous-genre du précédent) représentent des genres adaptés aux environnements peu profonds de plate-forme carbonatée et/ou de lagons alors que les restes de Pentacrinites sont davantage associés à des lithofaciès de haute énergie de type shoal oolithique. Quant à Chariocrinus, il s'agit d'un genre plutôt cantonné à des milieux en eaux plus profondes, rencontré dans des faciès de faible énergie (Hunter & Underwood, 2009).

La série stratigraphique lorraine comporte plusieurs occurrences de formations à entroques, d'âge différent et impliquant d'autres espèces de crinoïdes pédonculés : Calcaire à entroques du Muschelkalk (Encrinus liliformis) dans le Trias (voir par exemple les fiches de Marey - Vosges ou de Lorquin et Héming en Moselle), l'entroquite oxfordienne (Jurassique sup.) de la célèbre Pierre d'Euville-Lérouville (Pentacrinus buchsgauensis) ou encore les Marnes à amalthées (Pentacrinus basaltiformis) du Lias.

La grotte des Chambrettes

À quelques pas du Monument Barrès, sur le territoire de la commune de Vaudémont, la grotte des Chambrettes (fig.14) est une cavité (karstique ou artificielle) peu profonde, creusée dans le Calcaire à polypiers (formation du Bajocien inf., plus récente que le Calcaire à entroques - fig.5). Un pilier naturel sépare l'entrée de l'abri en deux ouvertures.

Fig.14 : L'entrée double de la grotte des Chambrettes

Les parois et le toit de la grotte présentent des joints stylolithiques causés par la pression exercée par les terrains susjacents lors de la diagenèse = le joint montre des pics, les stylolithes, qui indiquent la direction de la contrainte s'étant exercée sur la roche et qui a entrainé sa dissolution. Les axes des pics sont parallèles à la direction de la contrainte principale appelée sigma 1 (voir des figures identiques dans le Calcaire à Entroques du Muschelkalk de la carrière de Marey - 88 ou dans les calcaires oxfordiens de la carrière de la Folie à Vaucouleurs - 55). Dans les pierres volantes environnantes, des fossiles de polypiers branchus phacéloïdes du genre Cladophyllia ont pu être reconnus.

Le champ pétrolier de Forcelles-Saint-Gorgon

De 1983 à 1998, à quelques kilomètres au nord de la Colline de Sion, une dizaine de puits de pétrole, répartis autour de la commune de Forcelles-Saint-Gorgon et exploités par la société REPLOR, créée après le premier choc pétrolier de 1973 par le géologue lorrain indépendant Pierre-Louis Maubeuge (1923-1999), ont produit environ 14 000 t de pétrole léger (à titre de comparaison, l'Arabie Saoudite produit plus de 1,5 millions de tonnes de pétrole brut par jour). L'or noir qui commence à jaillir le 19 avril 1978 du puits FO2 marque le début de l'aventure du pétrole lorrain (Maubeuge, 1991). Les premières productions de pétrole étaient stockées sur place dans des citernes calorifugées de 40 m³ avant d'être acheminées par camion vers la raffinerie de Hauconcourt en Moselle, jusqu'en 1982, date de sa fermeture. Aujourd'hui, en bordure de la petite route D50 qui relie Praye à Forcelles-St.-Gorgon (fig.15), une pompe à piston (type "pumpjack" ou "tête de cheval") et une plaque commémorative pérennisent le souvenir de cette épopée courageuse entreprise par P.-L. Maubeuge.

Fig.15 : Pompe à piston et reconstitution d'un puits de pétrole à Forcelles-Saint-Gorgon

Le choix de Forcelles-Saint-Gorgon ne relève guère du hasard puisque la zone constitue un dôme antiforme, dont l'apex est centré au sud du village (voir les isohypses sur la carte géologique de Vézelise), positionné dans un secteur particulièrement faillé du Saintois (voir plus haut). L'occurrence de ce dôme serait due à la présence d'un édifice volcanique rhyolitique d'âge permien, de 1200 m de puissance, traversé par forage. Lors de sa diagenèse, la couverture sédimentaire mésozoïque aurait été déformée par cette masse volcanique très compacte, faisant saillie par dessous. De par sa faible densité, le pétrole a tendance à migrer vers la surface, généralement le long de zones de fractures, depuis une roche mère (riche en matière organique) d'où il a été expulsé lors de la compaction, pour s'accumuler dans une roche réservoir suffisamment poreuse ou fracturée et perméable, scellée par un terrain de couverture imperméable (stoppant la migration). En raison de sa forme voûtée favorisant l'accumulation de poches de fluides à sa charnière, un anticlinal constitue un site préférenciel de prospection dans un secteur à potentiel pétrolier (fig.16). Le réservoir du Saintois est localisé dans la Dolomie principale de la Lettenkohle (Keuper inf. - Trias), puissante de 5 à 10 m, à une profondeur moyenne de 250 mètres. On suppose que la roche mère est issue des formations carbonifères plus profondément enfouies, les seules à posséder les caractéristiques requises (Le Roux & Hanot, 2014).

Fig.16 : Système pétrolier montrant les principales étapes de formation et de migration du pétrole (en bleu nuit) et du gaz naturel (en rouge) dans le sous-sol (illustration © Institut Français du Pétrole)

Remerciements à Bernard Lathuilière, professeur de paléontologie à l'Université de Lorraine, pour son aide précieuse, ses conseils avisés et les références bibliographiques sur les crinoïdes fossiles.

Eléments de bibliographie:

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¹ Video du LOTERR (Université de Lorraine) - source : https://loterr.univ-lorraine.fr/

² Video de crinoïdes actuels - source:  MBARI (Monterey Bay Aquarium Research Institute - Californie)

³ Video de crinoïde rampant  - source : https://palaeo-electronica.org/2007_1/crinoid/fig3.htm