Compte rendu de la sortie géologique dans le massif volcanique du Kaiserstuhl (Allemagne, 22 juin 2014).

lundi 26 janvier 2015 par Michel, Jean-Pierre, Philippe

Le massif volcanique du Kaiserstuhl (figure 1) est situé dans la partie sud du fossé rhénan, à quelques kilomètres au Nord-Ouest de Fribourg-en-Brisgau (Allemagne). L’activité magmatique date du Miocène (18-15 Ma). Le Kaiserstuhl est formé de roches volcaniques alcalines sous-saturées en SiO2 : néphélinites, téphrites et phonolites et de leurs équivalents intrusifs (figure 2). Il comporte en outre des laves exceptionnelles, les carbonatites, constituées de carbonate de calcium magmatique. De taille modeste (16 x 12 km), ce volcan, très érodé, domine aujourd’hui la plaine du Rhin de 270 m à son point culminant le Totenkopf d’altitude 557 mètres, et les trois-quarts de sa surface sont recouverts par du loess, dépôt éolien périglaciaire quaternaire.

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Figure 1 – Carte géologique simplifiée du Kaiserstuhl (d’après Wimmenauer 1964) et localisation des arrêts 1 à 7 cités dans le texte.
Remarque : cette carte montre les formations volcaniques sous la couverture de loess.

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Figure 2 – Nomenclature des Roches Volcaniques (Cox et al. 1979).

Le dimanche 22 juin 2014, trente-six courageux naturalistes étaient présents sur le parking de la piscine Mallarmé pour une excursion dans ce massif volcanique du Kaiserstuhl : départ à 7h, autoroute jusqu’à Mulhouse, traversée du Rhin puis autoroute côté allemand direction Stuttgart, sortie Breisach et puis route vers l’est direction Ihringen. La météo est clémente et la chaleur assurée dès la mi-journée. Ce compte-rendu comporte quelques photos des principaux affleurements visités. Un reportage photographique très complet dû à notre collègue Michel Lassus est accessible à l’adresse suivante :
https://picasaweb.google.com/randolassus/2014_06_22SHNDKaiserstuhlD?authkey=Gv1sRgCKTZ_Y_mqcXhZQ&feat=email

Arrêt 1 – 2 km à l’ouest d’Ihringen
Intérêt : deux coulées de téphrites avec sommet scoriacé (figure 3). Les coulées sont recoupées par un dyke sub-vertical (figure 4) de même composition montrant une bordure à grain fin.
Les téphrites représentent une grande partie des roches magmatiques du Kaiserstuhl. A cet arrêt, ces roches de couleur grise comportent des phénocristaux d’olivine, de clinopyroxène noir abondant, de plagioclase et de magnétite. L’olivine est partiellement transformée en argiles et hydroxydes de fer de couleur rouille, mélange nommée iddingsite. La matrice grise est formée des mêmes minéraux et d’analcime (zéolite), dans un fond vitreux. De nombreuses vacuoles de dégazage sont visibles (figure 5).
La coulée inférieure est surmontée de scories téphritiques, d’épaisseur variable (ordre métrique), sur lesquelles vient reposer la coulée supérieure. En raison d’un léger pendage vers l’est, l’affleurement permet de toucher ces différentes unités. Les coulées massives sont découpées par un important réseau de fractures à remplissage de calcite blanchâtre. Dans la partie la plus occidentale de l’affleurement, les coulées sont recoupées par un filon subvertical (dyke) à grain fin et montrant un débit en plaquettes verticales.

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Figure 3 – Deux coulées de téphrites d’Ihringen.

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Figure 4 – Dyke de composition téphritique à grain fin.

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Figure 5 – Téphrite à olivine d’Ihringen.
On reconnaît les phénocristaux d’olivine iddingsitisée (en orange) et de clinopyroxène (en noir) dans une matrice grise. A droite, remplissage d’une fissure par de la calcite.

Arrêt 2 – Arboretum du Lilienthal (4 km au Nord-Est d’Ihringen)
Intérêt : visite d’un arboretum comprenant en particulier des séquoias géants de Californie, et, selon la littérature, une grande variété d’orchidées.
La visite effectuée par petits groupes a pris environ 1h. En raison de la forte chaleur des jours précédents et de l’absence de précipitations, les prairies à orchidées étaient malheureusement grillées et seules 3 variétés ont été observées. Au plan géologique, nous avons vu de loin des falaises de loess, sédiment éolien que nous étudierons de près ultérieurement. Nous avons profité de ce grand parc ombragé pour prendre un pique-nique bienvenu.

La suite de l’itinéraire nous a amenés tout à fait au nord du massif volcanique en le contournant par l’ouest. Au passage, nous avons pu apercevoir, depuis le bus, la grande carrière de phonolite de Niederrotweil, interdite d’accès au cours de l’été parce qu’elle est un site de nidification de rapaces. Les trois arrêts suivants sont localisés immédiatement au nord-nord-ouest de Sasbach, au bord du Rhin. A cet endroit, les collines du Limberg et du Lützelberg correspondent à un volcanisme tardif par rapport à celui du Kaiserstuhl, qui a produit des roches un peu différentes, plus basiques et plus sodiques, que celles de son voisin. Elles affleurent dans 7 anciennes carrières, ouvertes au XIXème siècle, lors de la rectification du cours du Rhin.

Arrêt 3 – Sasbach, colline du Limberg - montée à la carrière I
Intérêt : observation du loess (figure 6).
La montée à la première carrière traverse un affleurement de lœss. Il s’agit d’une roche sédimentaire détritique d’aspect limoneux, de couleur jaune-brun et relativement meuble. Elle est composée ici de particules silteuses (diamètre < 0,063 mm) extrêmement bien triées, principalement carbonatées et dans une moindre mesure quartzeuses et argileuses, produites notamment par l’ablation de leur substrat par les glaciers alpins au cours de leur déplacement lors de la dernière période glaciaire du Quaternaire. Ces particules composant cette "farine glaciaire" ont été ensuite transportées et vannées par le vent sur des distances relativement longues, puis enfin fixées au sol grâce notamment à une végétation clairsemée de type steppe (climat froid et sec). Ces dépôts atteignent localement jusqu’à 40 m d’épaisseur et recouvrent près de 85% du Kaiserstuhl. Sous l’action pédologique, ils ont subi une décalcification en surface et deviennent alors des loehms, tandis qu’en profondeur, peuvent se former des concrétions carbonatées appelées parfois "poupées de loess". Ces formations offrent des terres agricoles très fertiles.

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Figure 6 – Affleurement de loess.

Arrêt 4 – au nord de Sasbach – colline de Limberg - Carrières I et II
Intérêt : coulées de limburgites.
Si le terme limburgite (de Limberg) est très célèbre pour les pétrographes, il n’est plus utilisé dans la nomenclature actuelle. Il désigne des hyalo-basanites, roches proches des basaltes. Dans ces carrières, elles présentent des phénocristaux d’olivine et d’abondants clinopyroxènes automorphes dans une pâte vitreuse. Par ailleurs ces roches comportent de nombreuses vacuoles de dégazage en partie remplies par des minéraux secondaires de basse température, formés au cours de la phase de refroidissement, notamment des zéolites (faujasite, phillipsite…), des argiles, de la calcite. Des photos de ces micro-minéraux, recherchés par de nombreux collectionneurs, sont visibles sur le site suivant (en anglais) :
http://www.zeolite-collection.eu/occurrences/Europe/Deutschland/Kaiserstuhl/Limberg.html.

Au plan volcanologique, le front de la carrière I montre deux épaisses coulées (coulées L1 et L2) de limburgite séparées par un mince niveau irrégulier de tuf phonolitique de couleur beige (figure 7). La coulée inférieure est massive alors que la coulée supérieure est en "block-lava" (coulée de type aa). Dans cette dernière, on remarque des injections irrégulières du niveau phonolitique beige. Ce phénomène est lié à la présence d’eau sous la coulée supérieure. Au moment de sa mise en place, la vaporisation de cette eau provoque des phénomènes explosifs mobilisant le niveau de tufs peu induré.

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Figure 7 – Limberg – Carrière I : coulées de basanites (limburgites).
A la limite des coulées L1 et L2, on voit nettement le niveau jaunâtre de tufs phonolitiques localement injectés dans la coulée supérieure L2.

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Figure 8 – Limberg – Carrière II : coulée aa (block lava) sur tufs rougeâtres.

Arrêt 5 – au nord de Sasbach - Au pied de la colline du Lützelberg.
Intérêt : coulée de néphélinite à olivine et ses nodules de péridotites.
Les néphélinites sont des roches alcalines rares, beaucoup plus pauvres en SiO2 que les basaltes auxquels, macroscopiquement, elles ressemblent. Ici il s’agit d’une roche de couleur noire comportant des phénocristaux d’olivine, de clinopyroxène et d’oxydes de Fe-Ti dans une pâte formée de microcristaux de ces mêmes minéraux et d’une grande quantité de néphéline qui est un feldspathoïde exprimant le caractère pauvre en SiO2 de la roche. Toutefois l’intérêt majeur de cet affleurement est la présence de nodules de péridotite (figure 9), qui sont des fragments solides du manteau sous-continental remontés par le magma dont la coulée est issue. Ces nodules, d’une taille pouvant atteindre quelques dizaines de cm, sont des lherzolites (variété de péridotite) formés d’olivine, d’ortho- et de clino-pyroxènes et d’un oxyde de magnésium et aluminium, le spinelle.
Au plan volcanologique, cette épaisse coulée (> 50m) est issue de la base d’un cône strombolien dont nous verrons les reliques à l’arrêt suivant.

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Figure 9 – Coulée de néphélinite avec ses nodules de péridotites altérés (couleur rouille).

Arrêt 6 – au nord de Sasbach - Carrière VII du Limberg
Intérêt : panorama du petit fossé volcano-tectonique du Limberg et cône strombolien (figure 10).
La carrière VII expose la coupe d’un mini fossé d’effondrement contemporain du volcanisme. Entre deux failles normales de direction grossièrement nord-ouest - sud-est, affleure la succession suivante : à la base, coulée L2 puis un ensemble de marnes et de tufs volcaniques d’âge miocène, une coulée L3, enfin une couverture de loess. Le contact entre la coulée L3 et les sédiments miocènes est marqué par la présence d’un mince niveau blanchâtre de porcelanites (métamorphisme thermique des sédiments) et par des phénomènes d’évaporation explosive comme dans la carrière I.

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Figure 10 – Limberg – vue générale de la carrière VII.
On reconnaît de bas en haut : la coulée L2, cachée par la végétation ; des marnes et tufs de couleur orangée ; la coulée supérieure L3 ; le loess au sommet à droite.

A l’extrémité orientale de la carrière, la faille du mini fossé coupe un petit cône strombolien. Le plan de faille (figure 11) permet d’observer la structure interne du cône avec un litage incliné de projections, lapilli, blocs et grosses bombes stromboliennes. Ces projections, qui contiennent des nodules de péridotite, ont une composition comparable à la coulée de néphélinite observée à l’arrêt précédent.

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Figure 11 – Plan de faille coupant le cône strombolien.
La photo montre le plan de faille avec les formations rouges litées du cône strombolien et au sommet la couverture de loess.

Pour des raisons d’horaire, nous avons dû annuler l’arrêt prévu à Bickensohl dans les chemins creux du loess ; ce sédiment éolien a été décrit à l’arrêt 3.

Trajet : Sasbach – Oberrotweil – Vogtsburg puis direction Oberbergen.

Arrêt 7 - Carrière de Badloch
Intérêt : observation des carbonatites.
Les carbonatites sont des roches extrêmement rares qui proviennent de la cristallisation de magmas carbonatés. Le Kaiserstuhl est le seul massif volcanique récent d’Europe comprenant de telles roches. Dans la carrière de Badloch, on observe une roche de couleur brun-rouille à texture grenue formée majoritairement de calcite avec un peu de mica brun-pâle (phlogopite). Pendant longtemps, ces roches ont été considérées comme des roches métamorphiques, formées par recristallisation de calcaires du substratum au contact des magmas. Divers arguments de terrain, minéralogiques et géochimiques ont démontré que les carbonatites sont des roches magmatiques d’origine mantellique. Celles de la carrière de Badloch sont intrusives dans la partie centrale du complexe volcanique, mais des tufs volcaniques de carbonatite sont connus à la périphérie ouest du massif.

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Figure 12 – L’affleurement de carbonatite de Badloch.

Retour en bus par Bötzingen (observation du dôme de phonolite exploité dans la carrière Hauri), Umkirch, puis autoroute et retour vers Besançon où nous sommes arrivés un peu après 20h.

Bibliographie
Brügmann G. & Mertz D. (2009) Exkursion zur Vulkanologie und Tektonik des Oberrheingrabens.

Wimmenauer W. (1964) Geologisch-petrographischer Überblick in EUR 1827.d,f,e Les Roches alcalines et les Carbonatites du Kaiserstuhl.

Photographies de PH, ML et MR.


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