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Interprétation paléoclimatique des remplissages endokarstiques de la vallée de la Moselle à Pierre-la-Treiche (Lorraine, France)

Palaeoclimatic interpretation of cave fillings of the Moselle valley at Pierre-la-Treiche (Lorraine, France)
Benoît Losson, Jeannine Corbonnois, Jacqueline Argant, Jacques Brulhet, Edwige Pons-Branchu et Yves Quinif
p. 37-48

Résumés

À proximité de Nancy, le plateau de Haye recèle des grottes désactivées, créées au cours du Pléistocène inférieur et moyen par des pertes de la Moselle, lorsque celle-ci rejoignait encore la Meuse, avant son détournement hydrographique vers la Meurthe. Le karst sous-fluvial, mis en évidence par des études morphosédimentaires hypogées et épigées, notamment à Pierre-la-Treiche, comporte d’importants remplissages qui ont fait l’objet d’analyses de plusieurs types. Les réseaux souterrains sont comblés essentiellement par des alluvions constituées de matériaux vosgiens apportés par la Moselle. L’étude des faciès et structures sédimentaires de ces remplissages a permis de déceler des variations climatiques grâce à des modifications de grande ampleur des paléodynamiques d’écoulements endokarstiques. Ces sédiments détritiques mosellans sont malheureusement dépourvus de matière pollinique et de vestiges paléontologiques. Seuls les limons de surface de remplissage ont livré des grains de pollen holocènes et des faunes de climat froid fini-pléistocènes. Alluvions et sédiments fins superficiels ont été scellés à certains endroits par des concrétions. Des datations par la méthode U/Th ont permis de connaître leurs périodes de croissance, en rapport avec les stades et interstades climatiques du Quaternaire. Une bonne correspondance est apparue entre l’âge de formation des spéléothèmes et les époques tempérées (stades et sous-stades isotopiques 6.5, 5.3, 3.3, 3.1 et 1). L’intérêt des remplissages endokarstiques et de leur étude multivariée se vérifie une nouvelle fois, dans une région caractérisée par des données paléoclimatiques encore parcimonieuses.

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Errata

Article reçu le 28  octobre 2004, accepté le 19 septembre 2005.

Notes de la rédaction

Remerciements
Les auteurs remercient l’ensemble des relecteurs qui ont contribué à l’amélioration de cet article.

Texte intégral

Introduction

1De nombreuses études karstiques ont porté sur les remblaiements d’avens et de porches de grottes sous influence externe directe (Miskovsky, 1974 ; Campy, 1990). Elles ont souvent donné lieu à des recherches pluridisciplinaires en géoarchéologie. Excellent piège sédimentaire (Quinif, 1991 ; Salomon, 2000), le domaine endokarstique proprement dit est également susceptible d’avoir enregistré les changements environnementaux et climatiques intervenus dans le passé (Quinif, 1990 ; Le Fillâtre, 2001 ; Häuselmann, 2002). Au sein de remplissages karstiques, la lecture d’indices paléoclimatiques se décline selon la localisation des comblements étudiés, dans le contexte géomorphologique et karstologique, et selon les types de matériaux et les résultats fournis par leur analyse.

2Les grottes de Pierre-la-Treiche, situées au sud-est de Toul (Lorraine centrale), dans la vallée de la Moselle, constituent actuellement des réseaux non fonctionnels développés dans les calcaires bajociens du plateau de Haye (fig. 1). Elles contiennent d’importants remplissages de natures diverses, témoins de dynamiques paléoenvironnementales. Les conditions de la spéléogenèse, qui agissent sur les caractéristiques de ces comblements hypogés, ont été mises en évidence par des recherches morphosédimentaires (Losson, 2003). Elles sont liées à des pertes partielles de la Moselle, prélude au détournement hydrographique, reconnu depuis longtemps (Harmand, 2004). Plus précisément, la formation des cavernes dérive d’infiltrations sous-fluviales, permises par le contexte hydrogéologique antérieur à la capture, avec un bassin versant de la Meurthe plus bas que celui de la Haute Moselle. Dans la chronologie fluviatile relative de la Moselle, le fonctionnement karstique principal correspond à la mise en place des formations alluviales Fr5 et Fr4 immédiatement antérieures à la capture (fig. 2). Ce mode de spéléogenèse place la très grande majorité des remplissages des grottes de Pierre-la-Treiche dans le domaine strictement endokarstique. Une analyse détaillée des sédiments permet d’établir, malgré le filtrage de l’information par le milieu souterrain, des liens avec les paramètres hydrologiques et fluviatiles du milieu épigé, commandés par les conditions du climat.

Fig. 1 – Localisation du secteur de Pierre-la-Treiche, dans le contexte géomorphologique du site de la capture de la Moselle.
Fig. 1 – Location of the Pierre-la-Treiche area in the geomorphological setting of the Moselle river piracy site.

Fig. 1 – Localisation du secteur de Pierre-la-Treiche, dans le contexte géomorphologique du site de la capture de la Moselle. Fig. 1 – Location of the Pierre-la-Treiche area in the geomorphological setting of the Moselle river piracy site.

1 : point coté (m) ; 2 : cours d'eau ; 3 : plateau taillé dans des calcaires oxfordiens ; 4 : plateau taillé dans des calcaires bajociens ; 5 : dépression dans des roches argilo-marneuses d'âge liasique à l'est, batho-callovien à l'ouest ; 6 : front de côte ; 7 : versant de vallée >50 m de commandement ; 8 : versant de vallée <50 m de commandement ; 9 : méandre de vallée ; 10 : formation alluviale de la Moselle, de la Meuse et de la Meurthe postérieure à la capture ; 11 : formation alluviale de la Moselle-Meuse et de la Meurthe antérieure à la capture ; 12 : cavité karstique importante ; 13 : localité ; 14 : secteur d'étude de Pierre-la-Treiche.
1 : spot height (in m); 2 : river; 3 : Oxfordian calcareous plateau; 4 : Bajocian calcareous plateau; 5 : clay and marl depression (Liassic in the east, Bathonian-Callovian in the west); 6 : scarp slope; 7 : valley side >50 m high; 8 : valley side <50 m high; 9 : incised meander; 10 : post-capture alluvial deposits of the Moselle, Meuse, and Meurthe rivers; 11 : pre-capture alluvial deposits of the Moselle-Meuse and Meurthe rivers; 12 : main karst cave; 13 : town, village; 14 : study area of Pierre-la-Treiche.

Fig. 2 – Coupe transversale synthétique de la vallée de la Moselle à Pierre-la-Treiche ; contexte fluviatile et karstique antérieur à la capture (en noir) et actuel (en gris).
Fig. 2 – Synthetic cross-section through the Moselle valley at Pierre-la-Treiche; the fluvial and karst setting before the river capture (in black) and today (in grey).

Fig. 2 – Coupe transversale synthétique de la vallée de la Moselle à Pierre-la-Treiche ; contexte fluviatile et karstique antérieur à la capture (en noir) et actuel (en gris). Fig. 2 – Synthetic cross-section through the Moselle valley at Pierre-la-Treiche; the fluvial and karst setting before the river capture (in black) and today (in grey).

1 : chenal ; 2 : formation alluviale mosellane ; 3 : calcaires bajociens indifférenciés ; 4 : réseaux spéléologiques (coupes développées, hors remplissage, en partie d'après Bourgogne, 1935).
1 : stream channel; 2 : alluvial deposits of the Moselle; 3 : Bajocian limestones; 4 : cave systems (longitudinal section, fillings excluded, partly after Bourgogne, 1935).

3Les comblements hypogés fournissent deux catégories de données. Leurs caractéristiques sédimentologiques sont significatives des variations hydriques, qui expliquent le transport puis l’accumulation des matériaux. Les datations de spéléothèmes, les analyses polliniques et les vestiges paléontologiques apportent des renseignements complémentaires, mais ces éléments sont peu répandus dans le milieu souterrain étudié. Ces deux catégories de données servent à reconstituer les conditions paléoclimatiques de certaines périodes du Pléistocène et de l’Holocène. Dans le cadre de cet article, l’accent est mis sur l’étude des remplissages détritiques et la stratigraphie générale des comblements endokarstiques. La constitution des spéléothèmes et les calages chronologiques par datations absolues et indirectes viennent à l’appui des informations tirées de l’enregistrement sédimentaire.

Les remplissages souterrains et leur interprétation paléoclimatique

4Les dépôts endokarstiques sont essentiellement constitués de sédiments détritiques. Les matériaux allochtones, correspondant aux alluvions de la Moselle (issues de Fr4 principalement et de Fr5 secondairement), qui forment l’essentiel du remplissage, présentent un agencement et une granulométrie en rapport avec les caractéristiques hydrodynamiques de leur dépôt. Les conditions paléohydrologiques et paléoclimatiques sont révélées par certaines composantes, textures ou structures particulières (matière organique, accumulations de type coulées de débris, rythmites, stratifications entrecroisées). Des matériaux suballochtones complètent le cortège détritique. Les galets calcaires y sont très rares. En revanche, les alluvions rencontrées sous terre sont très souvent recouvertes par des sédiments limono-argileux, d’épaisseur variable mais jamais très importante, qui proviennent probablement des infiltrations directes depuis la surface, avec un faible transport longitudinal. Les éboulis souterrains constituent des volumes sédimentaires localement importants, mais ils n’apportent pas d’indication morphoclimatique, la gélifraction étant présumée nulle dans ce domaine endokarstique de la Haye. Les remplissages souterrains comprennent également, pour une plus faible part, des sédiments chimiques et organiques, bons indicateurs du climat. Les concrétions de calcite se développent plutôt lors des périodes tempérées (Lauritzen, 1993 ; Quinif et Maire, 1998 ; Häuselmann, 2002), même si ce n’est pas toujours le cas (Bastin, 1978 ; Quinif, 1991 ; Pons-Branchu, 2001). Certains faciès et des inclusions dans la calcite peuvent livrer des informations complémentaires (Genty et Quinif, 1996 ; Perrette, 1999).

5Les remplissages des grottes de Pierre-la-Treiche sont dépourvus de coupes naturelles. Les travaux de terrassement qu’il a fallu faire pour étudier les matériaux ont été effectués dans le réseau Sainte-Reine. Celui-ci correspond à la grotte du même nom et à diverses petites cavités voisines, situées dans l’ancienne carrière de Pierre-la-Treiche. L’ensemble, développé dans une tranche altitudinale d’une vingtaine de mètres (210–230 m d’altitude absolue), a été choisi pour ses importants comblements et la variété des contextes morphosédimentaires, qui permettent d’obtenir une bonne représentativité des fonctionnements hérités. Cinq coupes principales ont été étudiées (Losson, 2003 ; fig. 3) : 1) celle de la Cavité du Futur est localisée au droit de « puits-cheminées », c’est-à-dire dans une zone d’introduction verticale des alluvions depuis la vallée de la Moselle ; 2) et 3) les coupes des Entrées E et B se situent dans des secteurs proximaux (quelques mètres) par rapport aux structures morphologiques d’infiltration verticale ; 4) un remplissage a été sondé dans une galerie peu éloignée des zones d’entrée souterraine des matériaux, mais séparée par des passages étroits : la Salle des Draperies ; 5) la dernière coupe se trouve dans un conduit nettement plus distant des zones d’alimentation sédimentaire : la Galerie du Calvaire, située à une centaine de mètres des entrées actuelles de la grotte. Des carottages de contrôle ont été effectués en complément dans l’ensemble du réseau. Pour tous les sondages, les analyses sédimentologiques (études pétrographiques et minéralogiques) et les observations morphologiques (identification de conduits subverticaux remplis d’alluvions) montrent que les matériaux sont issus de la formation alluviale Fr4 de la Moselle (Losson, 2003). Par ailleurs, ceux-ci sont organisés selon une stratigraphie générale commune.

Fig. 3 – Caractéristiques des remplissages du réseau Sainte-Reine, avec localisation des coupes sédimentaires et des prélèvements.
Fig. 3 – Characteristics of the fillings of the Sainte-Reine cave system showing the location of the sedimentary sections and samples.

Fig. 3 – Caractéristiques des remplissages du réseau Sainte-Reine, avec localisation des coupes sédimentaires et des prélèvements. Fig. 3 – Characteristics of the fillings of the Sainte-Reine cave system showing the location of the sedimentary sections and samples.

A : représentation simplifiée du sondage de l'Entrée E ; B : représentation simplifiée du sondage de la Galerie du Calvaire ; C : vue du dépôt grossier hétérométrique de la série E (soutiré au centre) ; D : aperçu des rythmites de la série D (dans la moitié inférieure du cliché) ; E : localisation et stratigraphie synthétique des cinq coupes principales du réseau Sainte-Reine, selon le contexte morphologique endokarstique (Losson, 2003). 1 : galets ; 2 : galets à matrice sableuse importante ; 3 : sable ; 4 : mélange sablo-limoneux ; 5 : limons et argile ; 6 : calcaire bioclastique à pseudo-oolithes ; 7 : calcaire périrécifal (à entroques) ; 8 : séries sédimentaires ; 9 : sondage par excavation ; 10 : concrétion prélevée et datée ; 11 : prélèvement pour analyse pollinique ; 12 : encaissant calcaire ; 13 : sédiments fins, essentiellement limoneux ; 14 : sédiments de taille moyenne, essentiellement sableux ; 15 : sédiments grossiers, caillouteux ; 16 : coupe.
A : sketch of the E Entrance borehole; B : sketch of the Calvary Passage borehole; C : view of the coarse heterometric deposit of the E series (subsided in the centre); D : view of the finely laminated sediments of the D series (in the lower half of the photograph); E : location and synthetic stratigraphy of the five main bore sections in the Sainte-Reine cave system, according to the speleomorphological setting (after Losson, 2003). 1 : pebbles; 2 : pebbles in a sandy matrix; 3 : sand; 4 : sand and silt mixture; 5 : silt and clay; 6 : bioclastic limestone with pseudo-ooliths; 7 : perireefal crinoidal limestone; 8 : sedimentary series; 9 : borehole; 10 : sampled and dated speleothem; 11 : sample for pollen analysis; 12 : limestone; 13 : silty deposit; 14 : sandy deposit; 15 : pebbly deposit; 16 : bore section.

6Dans la coupe de l’Entrée E, on observe six séries sédimentaires, nommées A à F de bas en haut (fig. 3). Ces mêmes séries ont été définies dans les autres excavations majeures. Mais la stratigraphie présente parfois des lacunes liées à un sondage insuffisamment profond (Entrée B, Cavité du Futur), à l’absence d’accumulation due à une entrave macromorphologique (Salle des Draperies), ou encore à l’érosion intervenue pendant la construction du dépôt (Galerie du Calvaire). Ces séries ont été établies en fonction des grandes variations de texture des niveaux les uns par rapport aux autres (variations relatives, avec une succession granulométrique plus fine ou plus grossière), visibles dans l’ensemble des remplissages (tab. 1). Les limites entre les séries A et B d’une part, et D et E d’autre part, sont caractérisées par des contacts discordants ; les dépôts supérieurs recoupent nettement les dépôts sous-jacents. On peut interpréter la répétition de cette stratigraphie dans tout le réseau karstique comme significative de conditions hydrodynamiques générales : le transport et l’accumulation des matériaux sont liés à la Moselle, dont les modifications de flux et de compétence sont associées directement ou indirectement aux paramètres climatiques (alimentation en eau, déglaciation dans le bassin amont vosgien). à l’intérieur des séries, on observe des variations longitudinales de faciès et des marques de redistributions de sédiments (petits ravinements, lentilles sableuses ou graveleuses), qui sont déterminées par des circulations hydriques s’organisant en fonction de caractéristiques spéléomorphologiques.

Tableau 1 – Constitution et dynamique des séries alluviales du réseau Sainte-Reine.
Table 1 – Composition and depositional conditions of the alluvial series in the Sainte-Reine cave system.

Tableau 1 – Constitution et dynamique des séries alluviales du réseau Sainte-Reine.Table 1 – Composition and depositional conditions of the alluvial series in the Sainte-Reine cave system.

7Trois éléments sédimentologiques peuvent être pris en considération pour une interprétation paléoclimatique des remplissages (fig. 3 et tab. 1) : 1) les parties supérieures des séries D et F, formées de sédiments fins (limons dominants), présentent des accumulations de matière organique en rapport avec une dégradation des sols à l’extérieur des grottes et un climat moins froid ou tempéré ; 2) les unités grossières, composées de galets (jusqu’à 20 cm de grand axe) dans une matrice sablo-limoneuse et observées dans chacune des cavernes de Pierre-la-Treiche, sont analogues à des coulées de débris accumulées en période cataglaciaire, dans les vallées dont l’amont a été englacé (cas de la Moselle) ; 3) des rythmites visibles dans deux des coupes réalisées dans la Grotte Sainte-Reine à la base de la série D peuvent être la marque d’une période froide, par comparaison avec les résultats d’études menées dans les Alpes et le Jura (Maire, 1990 ; Lignier et Desmet, 2002).

8L’ensemble de ces éléments permet de reconstituer les modalités du comblement des galeries inférieures des réseaux de Pierre-la-Treiche par les alluvions de la Moselle. La synthèse des informations est donnée par la figure 4 et le tableau 1. Y sont représentées les variations d’alimentation hydrique d’origine mosellane, largement influencées par les conditions fluvio-glaciaires vosgiennes, ainsi que l’évolution paléoclimatique présumée. Les deux phases de refroidissement et de réchauffement, mises en évidence par les indices sédimentologiques évoqués précédemment, appartiennent à une seule période glaciaire. Cette interprétation est déduite de l’identification des matériaux qui constituent les remplissages de ces conduits karstiques inférieurs : ils proviennent tous de la formation Fr4 de la Moselle.

Fig. 4 – Schéma synthétique des remplissages de la Grotte Sainte-Reine et interprétation paléoclimatique.
Fig. 4 – Synthetic sketch of the Sainte-Reine cave fillings and palaeoclimatic interpretation.

Fig. 4 – Schéma synthétique des remplissages de la Grotte Sainte-Reine et interprétation paléoclimatique. Fig. 4 – Synthetic sketch of the Sainte-Reine cave fillings and palaeoclimatic interpretation.

1 : encaissant calcaire ; 2 : sédiments fins, essentiellement limoneux ; 3 : sédiments de taille moyenne, essentiellement sableux ; 4 : sédiments grossiers, caillouteux ; 5 : alimentation hydrique importante ; 6 : alimentation hydrique faible en période froide ; 7 : alimentation hydrique faible en période tempérée ; 8 : alimentation hydrique très faible en période tempérée (limons argileux superficiels et concrétions) ; 9 : introduction des alluvions de Fr4 dans le réseau souterrain.
1 : limestone; 2 : silty deposit; 3 : sandy deposit; 4 : pebbly deposit; 5 : large water supply; 6 : low water supply during cold period; 7 : low water supply during temperate period; 8 : very low water supply during temperate period (surficial fine-grained deposits and speleothems); 9 : introduction of alluvium from Fr4 in the cave system.

Confrontation avec d’autres indices paléoclimatiques et éléments de datation

9Historiquement, les premières données paléoclimatiques issues des cavernes de Pierre-la-Treiche proviennent des vestiges paléontologiques mis à jour et étudiés au xixe siècle dans la Grotte Sainte-Reine (Husson, 1864, 1867). Mais les positions stratigraphiques des découvertes sont mal définies ; il semble que tous les ossements se trouvaient dans les sédiments limono-argileux en sommet de remplissage, éventuellement remaniés avec des alluvions sous-jacentes. Certains vestiges étaient recouverts par un concrétionnement. Les faunes révèlent plutôt des conditions climatiques froides, notamment avec Rhinoceros tichorhinus et Cervus tarandus (tab. 2). Des ossements de mammifères actuels, adaptés à un climat tempéré, ont également été trouvés. Les sédiments limono-argileux recouvrant les alluvions mosellanes ont ainsi été mis en place lors d’une phase climatique froide et d’une autre phase tempérée. L’âge des vestiges les plus anciens et des sédiments qui les contiennent est probablement « saalien » maximal (stade isotopique 8 ou postérieur), comme le suggère la présence d’Ursus spelaeus et de Rhinoceros tichorhinus (Faure et Guérin, 1992). De fait, les alluvions sous-jacentes sont vraisemblablement antéweichseliennes.

Tableau 2 – Liste des faunes découvertes par N. Husson (1864, 1867) dans la Grotte Sainte-Reine et données paléoclimatiques associées.
Table 2 – List of the fauna found by N. Husson (1864, 1867) in the Sainte-Reine cave and associated palaeoclimatic data.

Tableau 2 – Liste des faunes découvertes par N. Husson (1864, 1867) dans la Grotte Sainte-Reine et données paléoclimatiques associées.Table 2 – List of the fauna found by N. Husson (1864, 1867) in the Sainte-Reine cave and associated palaeoclimatic data.

10De nouvelles données chronoclimatiques sont tirées d’analyses polliniques et de datations de concrétions (fig. 3 et fig. 5). L’étude des grains de pollen souligne la distinction sédimentologique entre les alluvions, qui sont stériles, et les matériaux limono-argileux de surface, dont deux échantillons ont livré des associations polliniques caractéristiques de l’Holocène récent (SR–FC–F4’’ et SR–EG, respectivement du Subatlantique et subactuel probables ; Argant, in Losson, 2003 ; fig. 5). Les deux dépôts analysés fournissent des résultats valables pour une partie des sédiments limono-argileux superficiels, en complément des éléments paléontologiques. En effet, les accumulations riches en pollen se sont produites dans des mares locales du réseau karstique, alimentées par des infiltrations à travers le massif sus-jacent, comme l’indique la présence de quelques grains de pollen tertiaires remaniés dans un échantillon.

Fig. 5 – Analyses polliniques et datations U/Th dans les grottes de Pierre-la-Treiche.
Fig. 5 – Results of pollen analyses and U/Th dating from Pierre-la-Treiche caves.

Fig. 5 – Analyses polliniques et datations U/Th dans les grottes de Pierre-la-Treiche. Fig. 5 – Results of pollen analyses and U/Th dating from Pierre-la-Treiche caves.

1 : remplissage alluvial mosellan issu de Fr4 ; 2 : avec interprétation chronoclimatique (J. Argant, ARPA) ; 3 : avec nom et âge(s) BP obtenu(s) par datation U/Th (Y. Quinif, CERAK ou E. Pons-Branchu, CEREGE).
1 : alluvial filling from Fr4; 2 : with chronoclimatic interpretation (J. Argant, ARPA); 3 : with name and ages BP obtained by the U/Th method (Y. Quinif, CERAK or E. Pons-Branchu, CEREGE).

Fig. 6 – Calage des dates U/Th obtenues dans les grottes de Pierre-la-Treiche par rapport aux variations climatiques fini-quaternaires.
Fig. 6 – Positioning of the U/Th dates from the caves of Pierre-la-Treiche with respect to late Quaternary climatic global changes.

Fig. 6 – Calage des dates U/Th obtenues dans les grottes de Pierre-la-Treiche par rapport aux variations climatiques fini-quaternaires. Fig. 6 – Positioning of the U/Th dates from the caves of Pierre-la-Treiche with respect to late Quaternary climatic global changes.

Courbe noire d'après Bassinot et al., 1994, in Petit et al., 1999 ; courbe grise d'après Petit et al., 1999 ; dates U/Th avec un intervalle de confiance d'un écart-type et un pictogramme par spéléothème.
Black curve after Bassinot et al., 1994, in Petit et al., 1999; grey curve after Petit et al., 1999; U/Th dates with one standard deviation error bars and one pictogram per speleothem.

11Les concrétions, toujours situées au sommet des comblements détritiques, recouvrent indistinctement les alluvions ou les limons argileux superficiels, selon les endroits. Leur datation absolue par la méthode U/Th permet le calage chronologique des sédiments sous-jacents. De tous les spéléothèmes analysés reposant sur des matériaux issus de la formation Fr4, le plus ancien – nommé Pui–GIO(II) – daté à plus de 300 ka BP (Losson et Quinif, 2001), fournit l’âge minimal des alluvions souterraines. Le lien avec les restes paléontologiques et les grains de pollen contenus dans les limons et argiles superficiels est plus difficile à établir, compte-tenu de la caractéristique stratigraphique des sédiments fins et des concrétions, longitudinalement disjoints. Cependant, les spéléothèmes renferment des données sur l’histoire des comblements endokarstiques terminaux. En particulier, trois concrétions contenant des contaminations organiques et détritiques, localisées sur la fig. 5, révèlent des événements paléoclimatiques qui, datés, peuvent être corrélés avec les variations du δ18O (fig. 6).

12La stalagmite Pui-GVC-2 a poussé au cours du sous-stade isotopique 3.3 (entre 55,3 ± 1,0 ka et 53,2 ± 0,7 ka ; Pons-Branchu, 2001). Elle présente un faciès calcitique très sombre, riche en matière organique, ce qui indique une période assez courte de développement du couvert végétal en surface, en accord avec le léger réchauffement climatique connu vers 55-53 ka BP (événements de Dansgaard-Oeschger DO 15 et 14 ; Dansgaard et al., 1993). Au sommet du spéléothème existe un arrêt de croissance pendant environ 7 400 ans, avant une nouvelle phase de concrétionnement très brève à 45,8 ± 0,4 ka BP, qui correspond au DO 12. La concrétion voisine Pui–GT–8, composée de deux stalagmites discordantes, complète cette histoire climatique, puisque la stalagmite basale, datée à 43,5 ± 1,7 ka BP (Quinif, in Losson, 2003), semble contemporaine du sommet de Pui–GVC–2. En outre, sous la concrétion, la présence de matière ligneuse témoigne d’infiltrations bio-pédologiques, peut-être équivalentes aux résidus notés dans Pui–GVC–2. Une phase de dégradation climatique se produit ensuite, synonyme d’arrêt de la croissance calcitique après 40 ka BP. La seconde stalagmite a poussé vers 13,2 ± 1,4 ka BP seulement, c’est-à-dire au tout début du stade isotopique 1 (Tardiglaciaire). La petite stalagmite Pui–GIO(I)–3, développée entre 3,97 ± 0,01 et 3,49 ± 0,02 ka BP (Pons-Branchu, 2001), contient des lamines contaminées par des particules limono-argileuses, qui peuvent être liées à de brèves et légères variations climatiques. Des modifications d’approvisionnement hydrique au cours de la croissance des concrétions sont également notées dans le spéléothème Pui–GIO(I)–2, qui comporte trois faciès calcitiques, avec changements de fabrique cristalline et de couleur, et les spéléothèmes SR–ED–2 et SR–Dra–1, qui ont connu des arrêts dans leur développement. La première stalagmite a poussé pendant le sous-stade isotopique 5.3 (entre 101,4 ± 0,4 et 96,5 ± 1,2 ka BP ; Pons-Branchu, 2001), les deux autres au cours du Tardiglaciaire et de l’Holocène (de 14,7 ± 2,0 à 3,4 ± 0,4 ka BP et à l’époque subactuelle, respectivement ; Quinif, in Losson, 2003).

13La bonne corrélation globale qui existe entre l’âge des concrétions de Pierre-la-Treiche, datées par la méthode U/Th, et les stades isotopiques impairs du Pléistocène moyen et supérieur (6.5, 5.3, 3.3, 3.1 et 1 ; fig. 6), confirme la croissance préférentielle des spéléothèmes lors de conditions climatiques tempérées. On constate également une concordance remarquable des phases de développement calcitique au niveau régional, puisque des spéléothèmes issus du Barrois (à une soixantaine de kilomètres à l’ouest) ont été datés des mêmes périodes (Jaillet, 2000 ; Jaillet et al., 2002). Pour le plateau de Haye, on peut noter qu’aucune des stalagmites prélevées n’a poussé pendant les sous-stades 5.5 et 5.1, ni pendant les phases tempérées du stade 7.

Conclusion

14L’étude des remplissages endokarstiques de Pierre-la-Treiche, composés de trois principaux types de matériaux, a permis de dégager l’existence de diverses phases paléoclimatiques. Les alluvions souterraines d’origine mosellane ont été chassées dans les galeries lors d’une période glaciaire du Pléistocène moyen (antérieure à 300 ka BP), qui comprend au moins deux interstades. Les sédiments limono-argileux superficiels remontent à des périodes froides et tempérées du Pléistocène supérieur probable. Enfin les concrétions se sont développées au cours de différentes périodes tempérées du Pléistocène moyen et supérieur. Le tableau 3 récapitule ces résultats. Ainsi les renseignements qui ont été rassemblés fournissent-ils un état de la question fondé sur les connaissances acquises sur ce milieu souterrain.

Tableau 3 – Enregistrement chronoclimatique des remplissages endokarstiques de Pierre-la-Treiche.
Table 3 – Chronoclimatic record of the cave infillings at Pierre-la-Treiche.

Tableau 3 – Enregistrement chronoclimatique des remplissages endokarstiques de Pierre-la-Treiche.Table 3 – Chronoclimatic record of the cave infillings at Pierre-la-Treiche.

15L’originalité des données chronoclimatiques lues dans les comblements des grottes de flanc de vallée de la Moselle tient au caractère conservateur du milieu souterrain par rapport au domaine épigé et à l’enregistrement des dynamiques fluviatiles mosellanes, dans un karst sous-fluvial caractérisé par des vides en connexion directe avec le milieu extérieur. Des grandes tendances texturales ont pu être mises en relation avec les influences climatiques, malgré le filtrage des pulsations sédimentaires externes et la déformation des caractéristiques sédimentologiques initiales sous l’influence de paramètres hypogés. Cette originalité tient également à l’existence de sédiments chimiques, datés de manière absolue par la méthode U/Th. Enfin, des corrélations morphosédimentaires mises en évidence entre les formations alluviales de surface et les matériaux endokarstiques rendent possibles des confrontations et des apports paléogéographiques réciproques entre les deux milieux.

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Bibliographie

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Annexe

Abridged English Version

In central Lorraine, the Moselle valley is incised into the Bajocian limestones of the Haye plateau. Some dry caverns are open on the valley sides, especially at Pierre-la-Treiche (fig. 1). These caves contain thick alluvial fills, mainly traceable to the Moselle river, but also comprising suballochtonous detrital sediments (especially silt and clay from the surface) covered by speleothems. Morphosedimentary studies demonstrate that they were created by underflow (fig. 2; Losson 2003). Thus, the cave fillings strictly belong to the underground system. Speleothems and detrital cave deposits have proved useful for palaeoclimatic studies and can also provide chronological information (e.g. Quinif, 1990).

The Sainte-Reine cave system at Pierre-la-Treiche was chosen for its thick deposits occurring in a distinctive geomorphic setting. All allochtonous sediments come from the Fr4 alluvial deposits (the last formation that preceded the capture of the Moselle river), which define a chronoclimatic unit. The five boreholes studied here are located at different distances from the point of influx of the Moselle alluvium (fig. 3). From this we have reconstructed a synthetic stratigraphy. Six series, A to F, were defined on the basis of significant grain-size changes and were observed in all fillings (tab. 1). Each can be correlated with major hydrodynamic modifications of the Moselle in relation to climatic changes. In contrast, secondary sedimentary variations are linked to the local speleomorphological context.

Some sedimentological parameters reflect the palaeoclimatic conditions of deposition (fig. 3): for instance organic matter, found in the D and F series, suggests soil erosion, and thus a temperate or anaglacial phase. Meanwhile, coarse debris-flow-like deposits evidence hyperconcentrated flows during a cataglacial period (the upstream Moselle basin was glaciated). In reference to studies in the Alps and the Jura (Maire, 1990; Lignier and Desmet, 2002), the finely laminated sediments of the D series in two boreholes are thought to have been deposited during a cold period. Finally, the alluvial filling corresponds to one glacial epoch only, in which two phases (one cold and one warm) can be identified (fig. 4). Other palaeoclimatic and chronological information is inferred from palaeontological remains, pollen analyses, and speleothem dating. The palaeontological remains, found in the Sainte-Reine Cave during the 19th century (Husson, 1864, 1867), are believed to derive only from the fine surficial sediments overlying the alluvial deposits. The bones belong to different species indicating cold climatic conditions, especially Rhinoceros tichorhinus and Cervus tarandus (tab. 2). Because some fauna were adapted to temperate period, the surficial silt and clay must have been deposited during two climatic phases at least. In addition, they are probably not older than the Saalian glaciation, as inferred from the discovery of Ursus spelaeus and Rhinoceros tichorhinus (Faure and Guérin, 1992). Like the bones, pollen has only been found in fine surficial deposits. The two samples containing pollen (SR–FC–F4’’ and SR–EG; fig. 3 and fig. 5) indicate upper Holocene sediments (probably Subatlantic and subrecent in age: Argant, in Losson, 2003). Unfortunately, stratigraphic relationships cannot be specified between the palaeontological remains and pollen. The fine sediments are linked to water seepage from the surface, as proved by the small amount of Tertiary pollen found in one sample.

The speleothems, always located at the top of the fillings, provide additional chronoclimatic data based on the U/Th dating method (fig. 5). The oldest flowstone (Pui–GIO(II)) is dated at >300 ka BP (Losson and Quinif, 2001). It indicates the minimal age of the alluvium from Fr4, therefore much older than the surficial fine deposits. Three other speleothems are particularly interesting for their facies and age: (i) Pui–GVC–2, rich in organic matter, reveals two short warm periods around 55-53 ka BP and 45 ka BP (Pons-Branchu, 2001); (ii) Pui–GT–8, made up of two unconformable stalagmites, grew at around 43.5 ka BP and 13 ka BP, while detrital sediments indicate a climatic degradation between these two periods (Quinif, in Losson, 2003); (iii) the small stalagmite Pui–GIO(I)–3, which grew between 4 and 3.5 ka BP (Pons-Branchu, 2001), shows detrital contamination. This may reflect a short-term climatic variability. We find a fairly good correlation between the ages of the Pierre-la-Treiche speleothems and odd-numbered isotope stages of the middle and late Pleistocene (6.5, 5.3, 3.3, 3.1 and 1; fig. 6). That confirms the preferential growth of speleothems during temperate periods, a fact already noted in other regional studies (Jaillet, 2000; Jaillet et al., 2002).

In sum, the fillings of the Pierre-la-Treiche cave system contain preserved elements from different palaeoclimatic periods of the middle and late Pleistocene (tab. 3). Although we need to improve the chronology of gaps between each event dated so far, the great value of these endokarstic sediments lies in their links with the alluvial deposits also present at surface. Detailed analysis of the material allows comparisons to be made and respective palaeogeographical contributions from the subaerial and underground environments to be established.

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Table des illustrations

Titre Fig. 1 – Localisation du secteur de Pierre-la-Treiche, dans le contexte géomorphologique du site de la capture de la Moselle. Fig. 1 – Location of the Pierre-la-Treiche area in the geomorphological setting of the Moselle river piracy site.
Légende 1 : point coté (m) ; 2 : cours d'eau ; 3 : plateau taillé dans des calcaires oxfordiens ; 4 : plateau taillé dans des calcaires bajociens ; 5 : dépression dans des roches argilo-marneuses d'âge liasique à l'est, batho-callovien à l'ouest ; 6 : front de côte ; 7 : versant de vallée >50 m de commandement ; 8 : versant de vallée <50 m de commandement ; 9 : méandre de vallée ; 10 : formation alluviale de la Moselle, de la Meuse et de la Meurthe postérieure à la capture ; 11 : formation alluviale de la Moselle-Meuse et de la Meurthe antérieure à la capture ; 12 : cavité karstique importante ; 13 : localité ; 14 : secteur d'étude de Pierre-la-Treiche.1 : spot height (in m); 2 : river; 3 : Oxfordian calcareous plateau; 4 : Bajocian calcareous plateau; 5 : clay and marl depression (Liassic in the east, Bathonian-Callovian in the west); 6 : scarp slope; 7 : valley side >50 m high; 8 : valley side <50 m high; 9 : incised meander; 10 : post-capture alluvial deposits of the Moselle, Meuse, and Meurthe rivers; 11 : pre-capture alluvial deposits of the Moselle-Meuse and Meurthe rivers; 12 : main karst cave; 13 : town, village; 14 : study area of Pierre-la-Treiche.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/476/img-1.png
Fichier image/png, 135k
Titre Fig. 2 – Coupe transversale synthétique de la vallée de la Moselle à Pierre-la-Treiche ; contexte fluviatile et karstique antérieur à la capture (en noir) et actuel (en gris). Fig. 2 – Synthetic cross-section through the Moselle valley at Pierre-la-Treiche; the fluvial and karst setting before the river capture (in black) and today (in grey).
Légende 1 : chenal ; 2 : formation alluviale mosellane ; 3 : calcaires bajociens indifférenciés ; 4 : réseaux spéléologiques (coupes développées, hors remplissage, en partie d'après Bourgogne, 1935).1 : stream channel; 2 : alluvial deposits of the Moselle; 3 : Bajocian limestones; 4 : cave systems (longitudinal section, fillings excluded, partly after Bourgogne, 1935).
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/476/img-2.png
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Titre Fig. 3 – Caractéristiques des remplissages du réseau Sainte-Reine, avec localisation des coupes sédimentaires et des prélèvements. Fig. 3 – Characteristics of the fillings of the Sainte-Reine cave system showing the location of the sedimentary sections and samples.
Légende A : représentation simplifiée du sondage de l'Entrée E ; B : représentation simplifiée du sondage de la Galerie du Calvaire ; C : vue du dépôt grossier hétérométrique de la série E (soutiré au centre) ; D : aperçu des rythmites de la série D (dans la moitié inférieure du cliché) ; E : localisation et stratigraphie synthétique des cinq coupes principales du réseau Sainte-Reine, selon le contexte morphologique endokarstique (Losson, 2003). 1 : galets ; 2 : galets à matrice sableuse importante ; 3 : sable ; 4 : mélange sablo-limoneux ; 5 : limons et argile ; 6 : calcaire bioclastique à pseudo-oolithes ; 7 : calcaire périrécifal (à entroques) ; 8 : séries sédimentaires ; 9 : sondage par excavation ; 10 : concrétion prélevée et datée ; 11 : prélèvement pour analyse pollinique ; 12 : encaissant calcaire ; 13 : sédiments fins, essentiellement limoneux ; 14 : sédiments de taille moyenne, essentiellement sableux ; 15 : sédiments grossiers, caillouteux ; 16 : coupe.A : sketch of the E Entrance borehole; B : sketch of the Calvary Passage borehole; C : view of the coarse heterometric deposit of the E series (subsided in the centre); D : view of the finely laminated sediments of the D series (in the lower half of the photograph); E : location and synthetic stratigraphy of the five main bore sections in the Sainte-Reine cave system, according to the speleomorphological setting (after Losson, 2003). 1 : pebbles; 2 : pebbles in a sandy matrix; 3 : sand; 4 : sand and silt mixture; 5 : silt and clay; 6 : bioclastic limestone with pseudo-ooliths; 7 : perireefal crinoidal limestone; 8 : sedimentary series; 9 : borehole; 10 : sampled and dated speleothem; 11 : sample for pollen analysis; 12 : limestone; 13 : silty deposit; 14 : sandy deposit; 15 : pebbly deposit; 16 : bore section.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/476/img-3.png
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Titre Tableau 1 – Constitution et dynamique des séries alluviales du réseau Sainte-Reine.Table 1 – Composition and depositional conditions of the alluvial series in the Sainte-Reine cave system.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/476/img-4.png
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Titre Fig. 4 – Schéma synthétique des remplissages de la Grotte Sainte-Reine et interprétation paléoclimatique. Fig. 4 – Synthetic sketch of the Sainte-Reine cave fillings and palaeoclimatic interpretation.
Légende 1 : encaissant calcaire ; 2 : sédiments fins, essentiellement limoneux ; 3 : sédiments de taille moyenne, essentiellement sableux ; 4 : sédiments grossiers, caillouteux ; 5 : alimentation hydrique importante ; 6 : alimentation hydrique faible en période froide ; 7 : alimentation hydrique faible en période tempérée ; 8 : alimentation hydrique très faible en période tempérée (limons argileux superficiels et concrétions) ; 9 : introduction des alluvions de Fr4 dans le réseau souterrain.1 : limestone; 2 : silty deposit; 3 : sandy deposit; 4 : pebbly deposit; 5 : large water supply; 6 : low water supply during cold period; 7 : low water supply during temperate period; 8 : very low water supply during temperate period (surficial fine-grained deposits and speleothems); 9 : introduction of alluvium from Fr4 in the cave system.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/476/img-5.png
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Titre Tableau 2 – Liste des faunes découvertes par N. Husson (1864, 1867) dans la Grotte Sainte-Reine et données paléoclimatiques associées.Table 2 – List of the fauna found by N. Husson (1864, 1867) in the Sainte-Reine cave and associated palaeoclimatic data.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/476/img-6.png
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Titre Fig. 5 – Analyses polliniques et datations U/Th dans les grottes de Pierre-la-Treiche. Fig. 5 – Results of pollen analyses and U/Th dating from Pierre-la-Treiche caves.
Légende 1 : remplissage alluvial mosellan issu de Fr4 ; 2 : avec interprétation chronoclimatique (J. Argant, ARPA) ; 3 : avec nom et âge(s) BP obtenu(s) par datation U/Th (Y. Quinif, CERAK ou E. Pons-Branchu, CEREGE).1 : alluvial filling from Fr4; 2 : with chronoclimatic interpretation (J. Argant, ARPA); 3 : with name and ages BP obtained by the U/Th method (Y. Quinif, CERAK or E. Pons-Branchu, CEREGE).
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/476/img-7.png
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Titre Fig. 6 – Calage des dates U/Th obtenues dans les grottes de Pierre-la-Treiche par rapport aux variations climatiques fini-quaternaires. Fig. 6 – Positioning of the U/Th dates from the caves of Pierre-la-Treiche with respect to late Quaternary climatic global changes.
Légende Courbe noire d'après Bassinot et al., 1994, in Petit et al., 1999 ; courbe grise d'après Petit et al., 1999 ; dates U/Th avec un intervalle de confiance d'un écart-type et un pictogramme par spéléothème.Black curve after Bassinot et al., 1994, in Petit et al., 1999; grey curve after Petit et al., 1999; U/Th dates with one standard deviation error bars and one pictogram per speleothem.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/476/img-8.png
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Titre Tableau 3 – Enregistrement chronoclimatique des remplissages endokarstiques de Pierre-la-Treiche.Table 3 – Chronoclimatic record of the cave infillings at Pierre-la-Treiche.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/476/img-9.png
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Pour citer cet article

Référence papier

Benoît Losson, Jeannine Corbonnois, Jacqueline Argant, Jacques Brulhet, Edwige Pons-Branchu et Yves Quinif, « Interprétation paléoclimatique des remplissages endokarstiques de la vallée de la Moselle à Pierre-la-Treiche (Lorraine, France) », Géomorphologie : relief, processus, environnement, vol. 12 - n° 1 | 2006, 37-48.

Référence électronique

Benoît Losson, Jeannine Corbonnois, Jacqueline Argant, Jacques Brulhet, Edwige Pons-Branchu et Yves Quinif, « Interprétation paléoclimatique des remplissages endokarstiques de la vallée de la Moselle à Pierre-la-Treiche (Lorraine, France) », Géomorphologie : relief, processus, environnement [En ligne], vol. 12 - n° 1 | 2006, mis en ligne le 01 avril 2008, consulté le 30 avril 2017. URL : http://geomorphologie.revues.org/476 ; DOI : 10.4000/geomorphologie.476

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