La phase 1 du projet Karsteau a permis la réalisation de la thèse de Doctorat d'Aurélie Tassy, soutenue le 20 décembre 2012 à l'Université Aix-Marseille. Ce travail rassemble l'ensemble des données géologiques en mer entre Marseille et Toulon, donnant le cadre pour l'écoulement des fluides entre la terre et la mer.

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Karsts côtiers et canyons sous-marins de la marge provençale au Cénozoïque :

Contrôle géodynamique, eustatique, hydrologique et structural

Par Aurélie Tassy (thèse soutenue le 20 décembre 2012)

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Jury

Résumé

    La marge provençale, localisée au Nord-Ouest de la Méditerranée, constitue avec la marge du Golfe du Lion et la marge ligure, la bordure septentrionale du bassin Liguro-Provençal. L’objectif principal de ce travail est la reconstitution de l’histoire géodynamique, structurale et géomorphologique de la marge depuis le Tertiaire. Sa structure est principalement le résultat des phases tectoniques anté-miocènes. Sur la marge provençale la transition entre le plateau continental et le bassin est étroite et caractérisée par des pentes abruptes affectées par des phénomènes d’instabilité gravitaire dans l’axe du canyon sous-marin de Cassidaigne. A terre, la marge provençale est caractérisée par une compression pyrénéenne, des fossés oligocènes, et une sédimentation mésozoïque à cénozoïque essentiellement carbonatée propice à l’infiltration des eaux en profondeur. L’origine des cours d’eau de la région est essentiellement karstique, et les sources côtières de Port-Miou et Bestouan constituent des réseaux karstiques noyés développés sur plusieurs kilomètres dans le calcaire urgonien, au droit du canyon de Cassidaigne.

Les travaux antérieurs suggèrent (1) que l’absence de réseau fluviatile de surface en amont et la forme de reculée karstique de la tête du canyon de Cassidaigne sont le résultat d’une connexion karstique entre les sources côtières et le canyon, (2) que la marge provençale n’ait pas été affectée par l’érosion messinienne et la transgression pliocène, (3) que certains dépôts transgressifs marins miocènes sont situés à des altitudes anormalement élevées par rapport à leurs niveaux de dépôt théorique. Ces faits témoignent d’une évolution géodynamique récente, mais encore peu documentée dans la région.

Cette thèse applique une approche intégrative géologique, géomorphologique et hydrogéologique afin de caractériser l’évolution et le fonctionnement du karst côtier et des canyons sous-marins. Les méthodes utilisées sont principalement : (1) l’acquisition et l’interprétation géologique des données de sismique marine (2740 km) et de 74 carottages, (2) l’analyse tectonique et/ou eustatique de marqueurs géomorphologiques de paléo-niveaux de base, (3) le suivi hydrogéologique et l’imagerie électrique des aquifères karstiques côtiers de Cassis, (4) la modélisation géologique 3D de surfaces terre-mer dans le géomodeleur gOcad, et (5) la restauration de l’évolution de la paléotopographie depuis le Tortonien.

Les résultats de l’interprétation sismique sont (1) une carte détaillée de la surface d’érosion messinienne du plateau continental mettant en évidence la présence d’un canyon messinien de direction E-W, baptisé « canyon de Bandol », (2) une carte géologique inédite du plateau continental et des coupes géologiques terre-mer qui s’étendent de l’extrémité ouest de la Nerthe au Cap Sicié.

L’évolution sédimentaire du canyon de Cassidaigne durant la période messino-pliocène est génétiquement liée à celle du canyon de Bandol. Deux modèles stratigraphiques ont été proposés pour expliquer l’histoire du remplissage sédimentaire de ces deux canyons.

L’altitude et la bathymétrie des transgressions marines miocènes reconnues à terre et en mer ont permis de définir une carte de déformation de la topographie de la marge à grande longueur d’onde depuis le Burdigalien. Les restaurations en 3D mettent en évidence la bascule de la marge et le rajeunissement des reliefs pyrénéo-provençaux à terre du NE vers le SW.

Un schéma d’évolution du réseau hydrogéologique de la marge, cohérent avec le modèle restauré est présenté. Un karst profond, connecté à un réseau inférieur de la grotte de Port-Miou, émerge pendant le Messinien dans la partie amont du canyon de Cassidaigne. Il est confiné par des structures géologiques défavorables à la karstification situées juste au sud. Des cours d’eau mineurs, provenant du Massif des Calanques ou du secteur vallonné du bassin de Riou façonnent la partie ouest de la tête du canyon de Cassidaigne. Le canyon de Bandol, de direction ouest-est, est principalement incisé par les cours de la Reppe-Destel, du Gapeau.

Mots clés : Canyon sous-marin, Karst côtier, Sismostratigraphie, Géomorphologie sismique, lien terremer, Géodynamique, Modélisation, Messinien, Marge provençale.

Abstract

    The Provence Margin is situated in the north-western Mediterranean and constitutes the northern edge of the Liguro-Provençal Basin with the margins of the Gulf of Lion and Ligurian sea. The main objectif of this thesis is the reconstruction of the geodynamic, structural and geomorphologic history of the margin since the Tertiary. This margin is mainly structured by ante-miocene tectonic events. On the Provence Margin, transition between the continental plate and the basin is narrow and characterized by abrupt slopes and associated gravitary instability within the axis of the Cassidaigne canyon. The Provence Margin is characterized by Pyrenean compression and Oligocene extension. The Mesozoïc-Cenozoïc sedimentary pile is dominated by carbonate rocks favorable to water circulation. The origin of the river system in the region is essentially karstic, and the coastal springs of Port-Miou and Bestouan correspond to drowned karstic network that develop along tens of kilometers within the Urgonian limestone, updip of the Cassidaigne Canyon.

Previous work suggest (1) that the lack of updip river system and the karst pocket valley shape of the canyon head are the result of an active karstic connexion between the coastal springs and the canyon, (2) that the Provence Margin is not affected by the Messinian erosion and Pliocene transgression, and (3) that Miocene marine transgressions are preserved at higher altitudes than their theoretical level. These facts witness a recent tectonic deformation that is not well understood. This work is based on the integration of geology, geomorphology and hydrogeology with the aim to understand evolution and functioning of coastal karsts and submarine canyons. The main methods are: (1) acquisition and geological interpretation of marine seismic data (2740 km) and 74 shallow coring, (2) the analysis of benchmark levels in terms of tectonics and/or eustasy, (3) hydrogeological survey and electric resistivity imagery of Cassis coastal karst aquifer, (4) 3D geological modeling of land-sea surfaces in the gOcad software, and (5) restoration of the paleotopography since the Tortonian.

Results of the seismic interpretation are: (1) a detailed map of the Messinian erosional surface showing an E-W messinian canyon, called “Bandol Canyon”, (2) a new geological map and land-sea geological cross sections of the continental shelf that extends from the western Nerthe massif to the Sicié Cape.

Sedimentary evolution of the Cassidaigne canyon during the Messinian-Pliocene is genetically linked with the Bandol canyon sedimentation. Two stratigraphic models are proposed to explain the history of their sedimentary filling.

Altitude and paleo-bathymetry of marine Miocene transgressions recognized onland and offshore allows the definition of a topographic deformation map at regional scale since the Burdigalian. These 3D topography restorations evidence the tilting of the margin and rejuvenation of reliefs from NE to SW.

The evolution of the hydrologic network of the margin, that is coherent with the tectonic restoration, is presented. A deep karst, connected to the lowest network of the Port-Miou cave, emerged during the Messinian in the proximal part of the Cassidaigne canyon. It is confined by southern geologic structures not favorable to karstification. Minor streams, sourced from the Calanque Massif and from the Riou basin, carve the western side of the Cassidaigne canyon. The Bandol canyon, oriented west-east, is mainly incised by the Reppe-Destel and Gapeau rivers.

Key-words: Submarine canyon, Coastal karst, Sismostratigraphy, Seismic Geomorphology, offshore-onshore link, Geodynamics, Modelisation, Messinian, Provence Margin.

                                                                                 

Dr. Philippe AUDRA,         Université de Nice Sophia Antipolis,            Rapporteur

Pr. Christian GORINI,        Université Pierre et Marie Curie Paris VI,     Rapporteur

Pr. Laurent JOLIVET,        Université d’Orléans,                                      Examinateur

Pr. Pierre ROCHETTE,      Aix‐Marseille Université,                                 Examinateur

Dr. Jean‐Loup RUBINO,   TOTAL, Pau,                                                     Examinateur

Dr. Isabelle THINON,        BRGM, Orléans,                                                Invitée

Dr. Bruno ARFIB,             Aix‐Marseille Université,                                  Directeur

Dr. François FOURNIER, Aix‐Marseille Université,                                  Directeur