Description de l'affleurement

L'affleurement en bord de route présente, sur une dizaine de mètres linéaire, une surface verticale de 4 à 5 mètres de haut laissant apparaître une roche massive, diaclasée, à débit anguleux et de teinte noire et blanche mais souvent masquée par une patine ocre d'altération ou un tapis de lichens (cf. fig.2). À l'œil nu, l'analyse pétrographique révèle la présence de cristaux  millimétriques à plurimillimétriques de biotite, feldspaths et quartz, organisés en bandes sombres (biotite) et claires (quartz et feldspaths) d'épaisseur millimétrique à centimétrique, correspondant à des structures planaires (plans d'aplatissement) et caractérisant la foliation d'une roche métamorphique que la minéralogie permet d'assimiler à un gneiss (fig.3). Le protolithe de cette roche est d'origine sédimentaire et de nature siliceuse (grauwackes et pélites - von Eller et al., 1970), il s'agit donc d'un paragneiss. L'âge des protolithes, obtenu par datation absolue sur des zircons hérités (Skrzypek, 2011 - voir ci-après), s'étale du Précambrien (Néoprotérozoïque) au Cambro-Ordovicien (Paléozoïque inférieur).

Fig.3 : Gneiss de la Croix-aux-Mines (extrémité sud de l'affleurement).

Même s'ils n'ont pas pu être vus sur ce site, des observations complémentaires ont permis d'identifier d'autres minéraux caractéristiques du métamorphisme : grenat (microscopiques), sillimanite en aiguilles et cordiérite en amas verdâtres parallèles à l'orientation des micas (cf. notice de la carte géologique de Gérardmer). Ces paragenèses permettent de placer la roche à la limite des faciès amphibolite et granulite de basse pression du métamorphisme régional, classiquement associé à un contexte de collision (fig.4).

Fig.4 : Diagramme P-T et grille des paragenèses des faciès métamorphiques pour les métapélites.

Les gneiss, migmatites et granitoïdes de cette partie du Massif Vosgien sont recoupés de nombreux filons, drains pour des minéralisations riches en métaux. A valeur stratégique, celles-ci ont fait l'objet d'une intense exploitation entre le Moyen-Âge et le milieu du XX^ième siècle (voir Annexe I à la fin ce cette fiche).

À certains endroits, la foliation est perturbée, devenant nébuleuse, avec occurrence de lentilles de quartz ou de nature granitique et amas noirâtres micacés (fig.5). Ces éléments illustrent ponctuellement un début de fusion partielle de la roche gneissique : formation et ségrégation d'une phase liquide de composition granitique (quartz et feldspath) correspondant au leucosome ou mobilisat et abandon d'une phase solide résiduelle, non fondue, le mélanosome ou restite sous la forme d'amas de biotites. La roche parentale ayant subi la fusion, le gneiss folié, est désignée sous le terme de paléosome. Cet ensemble constitue l'ébauche d'une migmatite "in situ". Sur la carte géologique de Gérardmer, cette formation est rattachée aux "Gneiss monotones à grenat et cordiérite" ou désignée comme "Migmatite de La Croix-aux-Mines" correspondant à un gneiss à biotite et cordiérite à structures migmatitiques (BRGM, 2010).

Fig.5a : Migmatisation dans les gneiss de La Croix-aux-Mines : migmatite (cliché de gauche) ; leucosome de composition granitique issu de la phase liquide (cliché de droite).

Fig.5b : Restite ou phase résiduelle solide (mélanosome) = amas de biotites  sur le cliché de gauche ; mobilisat granitique (leucosome) recoupant le gneiss (paléosome)  sur le cliché de droite.

Origine des gneiss de la Croix-aux-Mines

La zone où affleurent ces gneiss migmatitiques appartient à l'unité occidentale des Vosges Moyennes ou Centrales (domaine moldanubien ou gondwanien - voir fig.6 ci-après ou sur une carte géologique du Massif vosgien in Faure, 2021).

Fig.6 : Carte des différents domaines lithotectoniques de la chaîne varisque en France et en Europe de l'Ouest ; sutures éovarisques avec FFL = faille de Lalaye-Lubine ; FNE = Faille de Nort-sur-Erdre (d'après Faure, 2023).

La croûte continentale des Vosges est caractérisée par la superposition d'unités structurales ayant entraîné son épaississement et le métamorphisme régional l'accompagnant. Cette croûte écaillée est le résultat d'une tectonique compressive, polyphasée, d'âge dévono-carbonifère (Rey et al. 1992; Boutin et al. 1995 ; Faure, 2021). Elle constitue, localement, les reliques de la racine crustale d'une chaîne de collision, l'orogène varisque, érigé au milieu de l'ère Paléozoïque.

Comme cela est classiquement observé dans les chaînes de collision, une tectonique extensive post épaississement, avec effondrement gravitaire de la chaîne et délamination (Rey 1982, Rey et al. 1992), lui fait suite. Elle est responsable de la mise à l'affleurement et de la juxtaposition d'unités issues des différents niveaux structuraux de la croûte continentale. En d'autres termes, des niveaux originellement superposés dans un ordre P-T logique se retrouvent aujourd'hui juxtaposés dans le désordre, constituant une sorte de "mélange tectonique".

Selon les arguments disponibles considérés (structures, magmatisme, sédimentation, datations, métamorphisme...), les scenarii les plus récents proposés par différents auteurs (voir addendum ci-après) ne s'accordent pas tous pour reconstituer les étapes et identifier les différents acteurs (nombre d'océans, nombre de micro-continents impliqués, événements tectoniques, origine du métamorphisme...) de l'histoire varisque complexe des Vosges. Les futurs travaux qui viendront progressivement en complément, devraient permettre de mieux comprendre l'enchaînement des événements et d'aboutir à un concensus plus éclairé.

Fig.7 : Unités litho-structurales autour de la Croix-aux-Mines sur fond de carte géologique de Gérardmer à 1:50 000 (d'après Tabaud, 2012 et Faure, 2021) - UIG = Unité Supérieure de Gneiss ; USG = Unité Supérieure des Gneiss ; lignes chevronnées = contacts tectoniques USG-UIG supposés.

Deux grandes unités crustales ont été décrites (Fluck 1980, Rey 1992, Boutin et al., 1995) et correspondraient à deux ensembles métamorphiques et structuraux différents (fig.7), issus d'un empilement de nappes ductiles d'origine profonde, qui semble pouvoir se corréler, même si cela resterait à confirmer, aux unités litho-tectoniques contemporaines de référence du domaine continental moldanubien, reconnues dans le Massif Central et le Massif Armoricain (Boutin et al., 1995 ; Faure, 2021 et 2023) :

- une unité supérieure (parce qu'elle repose sur la seconde unité décrite plus loin) ou Unité des Gneiss variés (équivalent de l'Unité Supérieure des Gneiss (USG) du Massif Central / M. Armoricain - Faure, 2021), en position totalement allochtone et qui représente la croûte continentale inférieure granulitique avec des paragneiss à grenat, des granulites felsiques (Ste-Marie-aux-Mines, La Croix-aux-Mines) et une grande variété de roches comme des amphibolites, des péridotites à grenats (Col des Bagenelles), des éclogites ainsi que des niveaux de migmatites (nappes des Trois-Epis dans les Vosges méridionales près de Colmar et de Gerbépal à l'ouest du massif Vosgien - voir les fiches des Arrentès de Corcieux ou de St.-Amé). La datation par radiochronologie U-Pb sur zircons (Skrzypek, 2011) attribue un âge cambro-ordovicien voire plus ancien (600-450 M.a.) aux protolithes des Gneiss variés. S'il s'agit bien de l'USG, cette unité lithotectonique apparaîtrait alors sous forme de klippes au sud de La Croix-aux-Mines (fig.7). À cet ensemble (USG), se rattachent également, les Granulites felsiques, issus de protolithes magmatiques acides, apparaissant à l'est de la faille de Ste-Marie-aux-Mines (fig.7).

- une unité inférieure (parce qu'elle est surmontée par l'unité décrite précédemment) ou Unité des Gneiss monotones (équivalent de l'Unité Inférieure des Gneiss du Massif Central / M. Armoricain - Faure, 2021), para-autochtone et à lithologie monotone qui représente cette fois la croûte intermédiaire formée de paragneiss à biotite et sillimanite (Ste-Marie-aux-Mines, triangle-Ribeauvillé-Aubure-Riquewihr, La Croix-aux-Mines, Le Val-d'Ajol). L'âge des protolithes des Gneiss monotones, obtenu par datation U-Pb sur zircons (Skrzypek, 2011), est compris entre 700 et 500 M.a., soit néo-protérozoïque à cambro-ordovicien. En considérant son équivalence de l'UIG, cette unité, à laquelle se rattachent les gneiss du site étudié, affleurerait à la faveur d'une fenêtre tectonique dans un secteur au sud de La Croix-aux-Mines (fig.7).

Ces deux unités correspondraient respectivement aux parties - distale (croûte composite étirée très amincie à la transition continent-océan) et - proximale de la marge passive septentrionale du continent Gondwana (= domaine Moldanubien), mise en place lors d'un épisode de rifting pré-orogénique au Paléozoïque inférieur (séparation d'un microcontinent nommé Armorica et de la marge nord gondwanienne - voir fig.83 in Faure, 2021) puis inversée (passage de marge passive à marge active) lors de l'épisode de collision varisque qui suit.

Pour d'autres auteurs (Skrzypek et al., 2014), l'interprétation est différente et les unités métamorphiques des Vosges moyennes auraient une double origine : gondwanienne et autochtone pour les Gneiss monotones, saxo-thuringienne et allochtone pour les Gneiss variés / Granulites felsiques, sous charriés puis "injectés" dans les premiers lors de la collision varisque (voir addendum fig.8b).

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Addendum - Les migmatites vosgiennes dans le contexte de l'orogenèse varisque

En début du cycle orogénique varisque, trois phases tectono-métamorphiques affectant la croûte moldanubienne des Vosges moyennes peuvent être caractérisées (Boutin et al., 1995 ; Faure, 2021 et 2023 - voir aussi la fig.50 pour le trajet P-T-t proposé pour les unités métamorphiques vosgiennes in Faure, 2021) :

i - Une évolution prograde avec un épisode HP dans le champ de stabilité du disthène (faciès granulite HP et/ou éclogite), enregistré dans l'unité supérieure avec un pic à 12-20 kb (= 1,2 à 2 GPa) et 750-800°C (ou 14-16 kb et 800-880°C pour les Gneiss variés et 700-900°C / 12-15 kb pour les Granulites acides ? cf. Faure, 2021), et dont la signature n'apparaît plus qu'à l'état de relique (Fluck 1990, Rey et al. 1992), enregistrée également dans l'unité inférieure avec un pic qui ne dépasse pas 7-8 kb et 600-660°C (faciès amphibolite supérieur). C'est à ce titre que l'Unité des Gneiss monotones peut être considérée comme une ancienne portion de croûte moyenne et celle des Gneiss variés comme une ancienne portion de croûte inférieure de l'orogène (Skrzypek, 2011).

Selon certains auteurs, les gradients géothermiques de HP pourraient caractériser un épisode précoce du cycle varisque, appelé encore (D₀ ou) éo-varisque (pour le bloc armoricain et le Massif Central ; Faure, 2023), d'enfouissement crustal lors de la subduction de la marge nord du Gondwana (sous le microcontinent Armorica - Faure, 2021 - fig.8), initiée, compte-tenu de l'incertitude des datations radiochronologiques, soit entre le Silurien supérieur et le Dévonien inférieur (Faure, 2021 ; Faure et al., 2008 ; fig.8a), soit au Dévonien moyen ou plus tardivement au Dévonien supérieur-Carbonifère inférieur (Faure, 2023 ; Berger, 2023) ; la datation des éclogites des Vosges moyennes livre un âge Viséen (345-335 Ma), soit Carbonifère inf. (Skrzypek et al., 2014).

Sur la base de cette dernière datation, un scénario alternatif est proposé par Skrzypek et al., 2014 : le métamorphisme HP de l'Unité des Gneiss variés / Granulites felsiques résulterait de la subduction continentale de la marge passive septentrionale du bloc saxothuringien (dont serait issue cette unité) sous le bloc moldanubien (voir fig.8b, 9 et 10). Selon ce scénario, la subduction-collision éo-varisque (à vergence nord) impliquant le bloc Armorica n'existerait pas dans les Vosges.

Fig.8a : Modèle géodynamique montrant la subduction continentale (événements D₀ et D₁ ou cycle éo-varisque) de la marge nord gondwanienne (moldanubienne) sous le micro-continent Armorica au Dévonien dans le Massif Armoricain (d'ap. Faure et al. 2008) - NB : à l'emplacement des Vosges moldanubiennes, l'Arc ligérien n'existe pas, tout comme peut-être l'Océan Médio-Européen (océanisation réduite ou stoppée au stade de rift avorté ?).

Fig.8b : Modèle géodynamique montrant la subduction continentale du micro-continent Saxo-Thuringia sous la marge nord gondwanienne (moldanubienne) au Carbonifère inférieur à l'emplacement du Massif vosgien (d'ap. Skrzypek et al., 2014) - FLL : faille de Lalaye-Lubine.

ii - Une étape rétrograde syncinématique MP-MT (faciès amphibolite) avec une décompression sub-isotherme (relaxation thermique) à 3-4 kb ou 7-9 kb et 750-800°C pour l'unité des Gneiss variés / Granulites felsiques,  5-6,5 kb et 600-660°C pour l'unité des Gneiss monotones (cf. Faure, 2021) ?. La structuration de la croûte (écaillage, superposition des unités tectono-métamorphiques UIG-USG en domaine ductile) est marquée par une linéation d'étirement orientée NE-SO associée à une cinématique vers le SO (Wickert et Eisbacher, 1988) et par la mise en place de la foliation principale (S2 sensu Boutin et al., 1995) qui permettraient d'établir une corrélation avec l'événement D₁ du cycle (éo-)varisque, reconnu dans le Massif Central (Faure, 2021 et 2023 - fig.8). Contrairement à ce qui peut être observé ailleurs (Massif Central et Massif Armoricain), aucune trace de fusion anatectique ni de migmatisation n'ont, pour l'heure, été identifiées dans les Vosges moyennes (celles-ci se produiront ultérieurement au Carbonifère dans le contexte du cycle varisque s.s.).

iii - Un refroidissement et une décompression dans la zone chlorite-muscovite (faciès schistes verts).

Les modèles thermiques pour le métamorphisme rétrograde suggèrent que les décompressions isothermes peuvent être liées à une vitesse d'exhumation rapide (> 1 mm/an), ce qui est incompatible avec les taux d’érosion classiquement admis et exclut donc un processus d'érosion simple mais plutôt en accord avec une tectonique en contexte extensif, associée à un effondrement gravitaire de la croûte épaissie et à l'exhumation de la racine crustale (Rey et al 1982), aussi facilitée par le comportement rhéologique de l'USG (croûte inférieure ductile). L'âge de cet épisode métamorphique reste cependant mal connnu pour les Vosges moyennes (Faure, 2023 ; Skrzypek et al., 2014).

À l'issue des événements précoces du cycle (D₀ et D₁), l'orogenèse éo-varisque aboutit à la fusion du microcontinent Armorica avec la marge nord gondwanienne (ou bloc moldanubien). Si le modèle proposé (Faure, 2021, 2023) est avéré, dans le massif vosgien, cet épisode se traduirait par la fusion des Vosges du nord "armoricaines" (en bleu sur la fig.6) - attribuées par d'autres (Skrzypek et al., 2014), sur la base d'arguments sédimentologiques (signature moldanubienne du Cambro-ordovicien des Vosges du Nord), à la marge nord moldanubienne (voir fig.10 infra) - avec les Vosges centrales-méridionales "moldanubiennes" (en orange sur la fig.6). Bien que dépourvue de témoins ophiolitiques associés, la faille de Lalaye-Lubine (voir fiche Lubine sur ce site), située à une quinzaine de km plus au nord de La Croix-aux-Mines, constituerait l'emplacement de cette suture éo-varisque (Faure, 2021 et 2023).

Fig.9 : Contexte géodynamique à l'emplacement des Vosges au Dévonien supérieur ; UGV : Unité des Gneiss variés, UGM : Unité des Gneiss monotones (inspiré d'après Lardeaux et al., 2014 in Berger, 2023).

Lors de la transition Dévonien-Carbonifère, du nord vers le sud, à l'emplacement de la chaîne varisque (fig.8 et 9), s'amorce la fermeture de domaines océaniques (subductions à vergence sud) : l'océan Rhéïque séparant les deux masses continentales principales Laurussia, au nord, et Gondwana, au sud (emplacement de la ligne de suture Rhéïque - fig.7 et 8), et, dans la branche nord-orientale de la chaîne (fig.9 et 10), un océan étroit, l'océan Teplá (ou Saxo-Thuringien), séparant le microcontinent Saxo-Thuringia et les Vosges moldanubio-armoricaines récemment réunies (emplacement de la suture Teplá - fig.8 et 10).

Dans un modèle de double subduction (océan Rhéïque - microcontinent Saxo-Thuringia ; océan Saxo-Thuringien - continent Moldanubien ; Faure, 2021 et Skrzypek et al., 2014), ces fermetures entraînent (voir Tabaud, 2012 ou le circuit du Magmatisme des Vosges du Nord sur ce site) :

• la formation d'arcs volcaniques sur les plaques chevauchantes (ex. : plutonisme calco-alcalin dévonien dans les Vosges du Nord) ;
• l'ouverture de bassins d'arrière-arc sur les plaques plongeantes (ex. : séries tholéitique et calco-alcaline de Schirmeck et du Rabodeau dans les Vosges du Nord);
• la collision entre les différents ensembles continentaux et les lignes de sutures les séparant (fig.10) ainsi que le magmatisme associé (ex.: Granite "ancien" de Belmont dans les Vosges du Nord ; Granite des Crêtes dans les Vosges moyennes).

Dans l'ensemble de la chaîne varisque en France, cette phase aboutissant à un épaississement crustal (événement D₂ ou M₂ ou phase "bretonne" et début du cycle varisque s.s.) s'accompagne d'un métamorphisme prograde de type barrovien de BP/MP-HT, qui touche principalement l'UIG dans le Massif Central, marqué par des paragenèses à biotite-grenat-staurotide et ± disthène dans les métapélites (Faure, 2023). Dans les Vosges du Nord, ce métamorphisme affecte, mais à un degré moindre (paragenèses à grenat-biotite du faciès schistes verts - fig.4), les séries métasédimentaires cambro-ordoviciennes de Steige et de Villé (fig.9), situées à proximité ou en bordure de la faille de Lalaye-Lubine (voir la fiche Lubine sur ce site).

Fig.10 : Localisation et interprétations structurales du profil sislmique ECORS-DEKORP montrant les relations entre les blocs rhéno-hercynien, saxo-thuringien et vosgiens après suppression de la couverture post-viséenne ; suture de Teplá et chevauchement de Morhange sont actuellement masqués sous la couverture mésozoïque du Bassin parisien (d'après Edel et Schulmann, 2009 avec illustrations du haut, interprétation selon Faure, 2021 et illustrations du bas, interprétation selon Skrzypek et al., 2014 pour qui la faille de Lalaye-Lubine FLL n'est pas considérée comme une suture éo-varisque).

Dans les Vosges centrales et du Nord, jusqu'à la fin du Carbonifère, les premières occurrences du magmatisme syn-orogénique s'inscrivent et se poursuivent dans un contexte d'extension orogénique. Ce magmatisme implique la croûte continentale saxo-thuringienne subductée et laminée sous la croûte moldanubienne (apports de fluides hydratés par déshydratation de la croûte, accumulation de chaleur radiogénique issue de la désintégration des isotopes radioactifs de K, U et Th) et des magmas d'origine mantellique (afflux thermique supplémentaire par remontée d'asthénosphère chaude) (Tabaud, 2012 ; Villaros et al., 2018).

Les grands ensembles de migmatites de l'Unité des Gneiss variés / Granulites felsiques  (Gerbépal, Trois Épis) et le plutonisme des granitoïdes récents vosgiens apparaissent dans ce contexte HT-BP tardi-orogénique (voir Tabaud, 2012).

Tableau récapitulatif de la place des Vosges dans la chronologie de l’orogenèse varisque selon les auteurs (cliquer sur le tableau pour l'agrandir)

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Bibliographie:

Berger J. (2023) - Magmatisme pré-collisionnel. In Denèle Y. et Berger J. coord. - La chaîne varisque en France 1 - Histoire contexte géodynamique et événements orogéniques précoces - ISTE éd., pp.137-191.

Blumenfeld P. (1986) - Déformation et fusion partielle dans la croûte continentale: migmatites et granites de l'unité occidentale des Vosges moyennes (France). Thèse de Doctorat, Université de Nancy I,  173 pages.

Boutin R., Montigny R. et Thuizat R. (1995) - Chronologie K-Ar et ³⁹Ar-⁴⁰Ar du métamorphisme et du magmatisme des Vosges. Comparaisons avec les massifs varisques avoisinants. Géologie de le France, n°1, pp. 3-25.

Edel J.-B. & Schulmann K. (2009) - Geophysical constraints and model of the "Saxothuringian and Rhenohercynian subductions - magmatic arc system" in NE France and SW Germany. Bull. Soc. géol. Fr., 180, pp. 545-588.

Faure M., Lardeaux J.M. et Rossi P. (2008) - La chaîne varisque. Géochronique n°105, BRGM-SGF éd., 72 pages.

Faure M. (2011) - La chaine varisque en France. Planet-Terre éd.

Faure M. (2021) - La chaîne varisque, du local au général. Les dossiers de Planet-Terre. Site web de l'ENS-Lyon - https://planet-terre.ens-lyon.fr/

Faure M. (2023) - Métamorphisme et déformations précoces; In Denèle Y. et Berger J. coord. - La chaîne varisque en France 1 - Histoire contexte géodynamique et événements orogéniques précoces - ISTE éd., pp.191-259.

Fluck P. (1980) - Métamorphisme et Magmatisme des Vosges moyennes d'Alsace - Contribution à l'histoire de la chaine varisque. Thèse de Doctorat, université Louis Pasteur, Strasbourg, 282 pages.

Lardeaux J.-M., Schulmann K., Faure M., Janousek V., Lexa O., Skrzypek E., Edel J.-B. & Stipska P. (2014) - The moldanubian zone in French Massif Central, Vosges, Schwartzwald and Bohemian Massif revisited : differences and similarities. In The Varisacan orogeny (...). Geological Society, London, Special Publications, vol. 405, pp. 45-75.

Rey P. (1982) - Effondrement de la Chaîne Varisque dans les Vosges et fabrique sismique de la croûte continentale. Thèse de doctorat, Université de Grenoble, 284 pages.

Rey P., Burg J.P. et Caron J.M. (1992) - Middle and Late Carboniferous extension In the Variscan Belt: structural and petrological evidences from the Vosges massif (Eastern France). Geodinamica Acta, 5 (1-2), pp.17-36.

Skrzypek E. (2011) - Contribution structurale, pétrologique et géochronologique à la tectonique intracontinentale de la chaîne hercynienne d’Europe (Sudètes, Vosges). Thèse de Doctorat, Université de Strasbourg, EOST, 416 pages.

Skrzypek E., Štípská P. et Cocherie A. (2012) - The origin of zircon and the significance of U–Pb ages in high-grade metamorphic rocks: a case study from the Variscan orogenic root (Vosges Mountains, NE France), Contrib. Mineral. Petrol., 164, 6, 935–957.

Skrzypek E., Schulmann K., Tabaud A.S. et Edel J.B. (2014) - Palaeozoic evolution of the Variscan Vosges Mountains. Geological Society, London, Special Publications, vol. 405, pp. 45-75.

Tabaud A.S. (2012) - Le magmatisme des Vosges : Conséquence des subductions paléozoïques (datation, pétrologie, géochimie, ASM). Thèse de Doctorat, Université de Strasbourg, EOST, 231 pages.

Villaros A., Laurent O., Couzinié S., Moyen J.-F. & Mintrone M. (2018) - Plutons and domes : the consequences of anatectic magma extraction. Example fron the southeastern French Massif Central. Int. J. Earth Sci., 107, p. 2817-2842.

Von Eller J.P., Blanalt J.G., Hameurt J., Hollinger J. et Hoepffner C. (1970) - Notice explicative de la Carte Géologique du Socle Vosgien - Partie Septentrionale. Bull. Serv. Carte Géol. Als. Lorr., 23, 1, pp.5-28.

Wickert F. & Eisbacher G.H. (1988) - Two-sided thrust tectonics in the Vosges Mountains, northeastern France. Geodin. Acta, 2(3), pp.101-120.