UNIVERSITÉ DE GENÈVE
FACULTÉ DES SCIENCES
Institut F.-A. Forel
Sismostratigraphie et structure sédimentaire en 3D d'un bassin lacustre, du retrait glaciaire à nos jours
(Lac Léman, Suisse)
Thèse
présentée à la Faculté des sciences de l'Université de Genève
pour obtenir le grade de Docteur ès Sciences,
mention sciences de la Terre
par
Stéphanie GIRARDCLOS
(de Genève / Suisse)
sous la direction du
Pr Walter Wildi
Jury :
Pr B. Ammann
Pr C. Beck
Dr A. Pugin
Dr M. Sturm
Thèse n° Sc. 3275
Genève, 2001
La zone d'étude de ce travail, située dans le Petit-Lac, est caractérisée par la présence d'un promontoire immergé : les 'Hauts-Monts'. Dans cette partie du lac, la faible profondeur du bassin (prof. maximum -74 m) permet une oxygénation annuelle des eaux profondes. Les rivières - la Versoix et l'Hermance - qui alimentent cette zone sont de tailles modestes. Les travaux sédimentologiques antérieurs ont démontré la grande complexité sédimentaire des zones littorale et profonde, exprimée sous la forme d'une mosaïque de sédiments juxtaposés, d'âges et de faciès différents.
La reconstruction de l'histoire sédimentaire et climatique de la zone des Hauts-Monts, de la déglaciation à nos jours, a été effectuée à partir de plus de 200 km de profils sismiques acquis avec plusieurs types de sources (échosondeur, canon-à-air, sparker, marteau), et à l'aide de l'analyse des sédiments de 19 sondages (lithologie, susceptibilité magnétique, teneur en eau, granulométrie). Plusieurs techniques ont permis de dater les sédiments : la palynologie, la mesure de l'activité du 137Cs et la datation 14C AMS. L'analyse et la représentation tridimensionnelle des séquences sismo-stratigraphiques a permis d'établir le scénario de l'évolution du bassin.
Quatre unités sismo-stratigraphiques (A-D) ont été définies sur la base des profils sismiques. L'unité A est interprétée comme une séquence de sédiments glacio-lacustres influencée par les processus de décantation. Les stades (ré-avancées) du glacier würmien en retrait sont enregistrés sous la forme de «till tongues» à la hauteur de Coppet et de Nyon. Avec l'unité B, l'influence du glacier disparaît, et la source de sédiment se déplace vers l'aval avec une stratification de type lacustre. La géométrie des corps sédimentaires des unités C et D devient très variable et discordante avec les unités sismiques précédentes. A proximité du promontoire des Hauts-Monts, d'importantes érosions des séquences sismo-stratigraphiques sont dues à des courants profonds.
19 sondages ont été prélevés dans la baie de Corsier et dans le bassin central. Les dépôts lacustres de la baie de Corsier proviennent de la production autochtone du bassin et du ruissellement dans le bassin versant. Ils témoignent d'importants phénomènes érosifs, passés et actuels, liés à des courants et des vagues de tempêtes. Les scories des bateaux du 19ème siècle, ainsi que d'anciens dépôts de glaise glaciaire sont les seuls forts niveaux de susceptibilité magnétique de la baie. Les paramètres physiques des sédiments du bassin central ont permis de déterminer la répartition géographique et l'influence de trois processus sédimentaires différents : la décantation hémi-pélagique, l'activité deltaïque de la Versoix et l'effet des courants profonds. Les influences hémi-pélagiques et deltaïques sont opposées, et dépendent principalement de la distance à l'embouchure de la Versoix. Toutefois, l'influence des courants profonds, maximum au pied des Hauts-Monts, a perturbé la régularité des séquences sédimentaires par l'érosion de sédiments déjà en place et par le transport de particules fines («interflows») vers cette zone.
La zone 'sourde' des profils sismiques semble être la conséquence de la production de méthane issu de la matière organique terrestre apportée par la Versoix. Dans le contexte granulométrique monotone du sondage sg1, la présence de traces de gaz explique la variation de teneur en eau du sédiment et la formation des réflecteurs sismiques à cet endroit.
Les séquences sédimentaires sondées appartiennent aux biozones palynologiques du Tardiglaciaire et de l'Holocène. La plupart des sédiments carottés se sont déposés durant le Subatlantique récent (X). La carotte sg1 montre une variation du couvert végétal du Bas Moyen Age à nos jours unique dans le Bassin Lémanique. La pression et l'influence anthropique, présentes dès le bas de la carotte, s'intensifient vers le haut. Les derniers 20 cm appartiennent au 20ème siècle et les témoins polliniques (arbres exotiques, Ambrosia, Pediastrum) sont en accord avec le taux de sédimentation moyen minimum de 2.44 mm/an obtenu par l'analyse de l'activité du 137Cs. Les carottes de la baie de Corsier sont drapées par des sédiments récents (19ème - 20ème siècles) qui sont remaniés régulièrement au gré des tempêtes de vent (Girardclos, 1993). Les niveaux sédimentaires d'âge Subboréal et Subatlantique ancien indiquent un milieu de dépôt plus tranquille que ceux qui appartiennent au Subatlantique récent et sont peut-être les témoins des niveaux lacustres +3 m de l'époque romaine et du Bronze moyen-Hallstat (Corboud, 2001; Gallay & Kaenel, 1981).
Seuls quelques réflecteurs des unités B et D ont pu être datés grâce à nos sondages. La corrélation sismo-stratigraphique de la zone des Hauts-Monts avec celle de la Promenthouse (Baster, en prép.), ainsi que la compilation de données palynologiques antérieures a permis d'améliorer la datation des horizons. La chronologie de la phase de déglaciation (unité A) est définie selon les stades de retrait glaciaire du Petit-Lac (Coppet et Nyon ) a été située entre 18'000 à 16'000 ans 14C BP.
Les cartes isohypses (bathymétrie) et isopaques (épaisseur), ainsi que la représentation du modèle digital en 3D ont permis d'élaborer un scénario interprétatif pour la zone de Hauts-Monts. La période de la déglaciation (unité A) est caractérisée par des apports sédimentaires en provenance du nord/nord-est, déposés par décantation dans un lac proglaciaire. La morphologie irrégulière du fond témoigne de courants profonds induits par des «underflows» glaciaires en amont du bassin lacustre. Au début de l'unité B, le bassin lacustre est marqué par le dégel du bassin versant et la principale source d'apports est située vers l'actuelle embouchure de la Versoix. Le premier «slump» a été déclenché dans la baie de Corsier durant cette période. Ultérieurement, le niveau d'action de vagues s'est abaissé, suite à une augmentation de l'intensité des vents et/ou à un abaissement du niveau du lac. L'unité C a été marquée par le déclenchement de plusieurs slumps et par la brusque apparition de courants (au Dryas récent ?) qui ont généré une surface de non-déposition de 838'300 m2. Ils ont été suivis par des courants dont le pouvoir érosif a augmenté, peut-être suite à un abaissement du plan d'eau au Boréal. Puis les effets érosifs des courants profonds ont diminué et ré-augmenté. Au cours de cette période, l'influence des apports allochtones s'est avancée dans le bassin central probablement suite à une augmentation des apports en matière organique. Pendant le Subatlantique récent (unité D), l'effet des courants profonds a beaucoup diminué jusqu'au réflecteur 5. Cette action des courants a ré-augmenté fortement après le réflecteur 4 et/ou le réflecteur 3, dans la partie centrale du bassin et jusqu'à -40 m de profondeur dans la baie de Corsier. A partir du réflecteur 7, on observe également une modification de la direction de répartition des sédiments apportés par la Versoix qui indique certainement un changement du régime des vents. Au temps du réflecteur 6, l'activité du delta semble avoir diminué par rapport à la production autochtone du lac, mais la présence de matériel terrigène dans l'enregistrement sédimentaire indique l'existence de forts «interflows» à cette époque.
Les sédiments des unité A-D représentent un volume minimum de 0.775 km3. Les apports les plus importants ont eu lieu durant la phase de déglaciation du Petit-Lac (unité A), et dans une moindre mesure durant le dégel du bassin versant (unité B). A partir de l'Holocène, malgré une probable augmentation de la production lacustre autochtone, les taux de sédimentation moyens de l'unité C étaient très faibles (0.31-0.47 mm/an). Cette diminution a été causée par l'importante activité érosive des courants profonds à cette période, et par la réduction des apports allochtones engendrée par le développement du couvert forestier. Durant le Subatlantique récent (unité D), le taux de sédimentation moyen a fortement augmenté (5.03 mm/an). Trois processus permettent d'expliquer ce changement radical. L'effet érosif des courants a globalement diminué. La déviation des dépôts de la Versoix vers le nord a accru le bilan sédimentaire du site. Les apports de la Versoix ont considérablement augmenté suite à l'intensification de l'utilisation du sol engendrée par les activités humaines (déforestation, agriculture) au cours de cette période.
Mots-clefs : sismo-stratigraphie, modèle tridimensionnel, Lac Léman, Hauts-Monts, Holocène, Tardiglaciaire, Pleistocène, paléoclimatologie.
Seismo-stratigraphy and 3D sediment structure of a lacustrine basin from the glacial retreat to present (Lake Geneva, Switzerland)
The studied area is situated in the Petit-Lac (western part of Lake Geneva) and is characterized by a submerged promontory called the Hauts-Monts (= the "High-Mounts"). In this area, the relative shallow depth of the lacustrine basin (max. depth -74 m) allows a yearly oxygenation of the deep waters. Small-sized rivers - the Versoix and the Hermance - are feeding this area. The previous sedimentary works have shown that the coastal and deep parts of the basin are very complex : they are formed by a patchwork of sediments of different ages and facies.
The 200 km of seismic profiles acquired with different types of seismic sources (echosounder, airgun, sparker, hammer) and the sediment analyses of 19 cores (lithology, magnetic susceptibility, water content, granulometry) allowed the reconstruction of the sedimentary and climatic history of the Hauts-Monts from deglaciation to present. Palynology, 137Cs activity, 14C AMS analyses were used to date the sedimentary sequences. The three-dimensional analysis and representation of the seismo-stratigraphic sequences enabled us to determine the scenario of the basin evolution.
Four seismo-stratigraphic units (A-D) were defined on the basis of the seismic profiles. Unit A is interpreted as a glacio-lacustrine sediment sequence, influenced by settle and rainout processes. The Wurmian Rhone glacier stages (re-advances) are recorded as till tongues near Coppet and Nyon. At the time of unit B deposition, the glacier influence disappeared and the sediment source moved downstream. This unit shows a lacustrine type of stratification. The geometries of unit C and D are variable and discordant with the previous seismic units. Large erosion surfaces, due to bottom currents, disrupted the sismo-stratigraphic sequences near the Haut-Monts promontory.
19 cores have been collected in the Corsier Bay and in the central basin of the lake. The lacustrine deposits of the Corsier Bay came from autochthonous basin production and watershed run-off. These sediments show major past and present erosive events linked to storm currents and waves. In the bay, the only evidences of strong magnetic susceptibility levels are due to the 19th century steam boat scoriae and ancient glacial clay deposits. The physical parameters of the central basin sediments allowed to determine the geographic distribution and the influence of three different sedimentary processes : the hemi-pelagic particles settling, the Versoix deltaic activity and the bottom currents effect. The hemi-pelagic and deltaic processes are in opposition and depend on their distance from the Versoix mouth. The bottom currents influence, maximum at the Haut-Monts base, has disrupted the regularity of the sedimentary sequences by eroding the settled sediment and moving the fine suspended particles (interflows) towards this part of the basin.
The blank area of the seismic profiles appears to be the consequence of methane production related with the organic matter brought by the Versoix river. Within the homogeneous granulometric context of the core sg1, the presence of gas traces can explain the water content variations and the reflectors at this place.
The cored sedimentary sequences are dated from the Late Glacial and Holocene palynological biozones. Most of the cored sediments have been deposited during the Younger Subatlantic. The core sg1 shows a vegetation variation from the late Middle Ages to present which is unique in the "Bassin Lémanique". The anthropic pressure and influence, present from the bottom of this core, intensifie toward the top of the sequence. The last 20 cm belong to the 20th century and the pollen witnesses (exotic trees, Ambrosia, Pediastrum) are in agreement with the minimum mean sedimentation rate of 2.44 mm/year obtained by the 137Cs activity analysis. The Corsier Bay sediments are draped by recent deposits (19th and 20th century) which are regularly reworked by wind storms (Girardclos, 1993). The Subboreal and the Older Subatlantic sedimentary levels show a lower energy environment than the Younger Subatlantic ones. They might represent the +3 m Roman and Middle Bronze-Hallstat lake-levels (Corboud, 2001; Gallay & Kaenel, 1981).
Only a few unit B and D seismic reflectors could be dated thanks to our cores. A seismo-stratigraphic correlation of the Hauts-Monts area with the Promenthouse area (Baster, in prep.) and the compilation of previous palynological data improved the seismic horizons dating. The deglaciation (unit A) chronology is characterized by the retreating glacier stages of the Petit-Lac (Coppet and Nyon) whose ages have been situated between 18'000 to 16'000 years 14C BP.
An interpretative scenario for the Hauts-Monts area has been drawn up from the isohypses (bathymetry) and the isopachs (thickness) maps as well as from the 3D digital model representation. The deglaciation period (unit A) is characterized by sedimentary input coming from the north/north-east and settling in a proglacial lake. The uneven morphology of the lake bottom gives evidence of bottom currents induced by glacial underflows upstream from the Hauts-Monts area. At the beginning of the unit B the lake basin is marked by the watershed thaw. The main sediment source shifted to near the present Versoix river mouth. The first slump was started at that time in the Corsier Bay. Later, the lake wave base lowered following an increase in the wind intensity or/and a lowering of the lake-level. Unit C is characterized by the outbreak of several slumps and by the sudden appearance of bottom currents (during Younger Dryas ?). These bottom currents generated a non-depositional surface of 838'300 m2. They were followed by currents with a stronger erosive power, probably due to a lowering of the lake during the Boreal. Then the erosive effect of bottom currents weakened and re-increased. During this period, the deltaic signature (seismic blank area) moved forward into the central lake basin, probably reflecting an increase of the allochtonous organic matter in the sediments. During the Younger Subatlantic (unit D), the effect of bottom currents sharply weakened until the time of the reflector 5. After the reflector 4 or/and the reflector 3 this action of the currents re-increased in the central basin and up to a depth of -40 m in the Corsier Bay. A change in direction of the sediment distribution brought by the Versoix can be observed from the reflector 7 onwards. Most probably it indicates a shift of the winds regime. The delta activity against the autochtonous production seems to have decreased at the time of the reflector 6 but the terrigenous matter present in the sedimentary record indicates the existence of strong interflows during this period.
The sediments of unit A-D represent a minimum volume of 0.775 km3. The greatest sediment input happened during the deglaciation phase of the Petit-Lac (unit A) and to a lesser extent during the watershed thaw (unit B). From the Holocene and despite a probable increase of the autochtonous lacustrine production, the mean sedimentation rates of unit C were very low (0.31-0.47 mm/year). This has been caused by the strong erosive activity of bottom currents at that time and by the decrease of allochtonous input as the forest cover spread. During the Younger Subatlantique (unit D), the mean sedimentation rate increased sharply (5.03 mm/year). Three processes can explain this important change. On average the erosive effect of bottom currents decreased. The shift of the Versoix deposits to the north increased the sedimentary volumes of the Hauts-Monts area. And the Versoix input considerably increased because of the intensification of the soil use due to human activities (deforestation, agriculture) during this period.
Keywords : seismic stratigraphy, three-dimensional model, Lake Geneva, Hauts-Monts, Holocene; Late Glacial, Pleistocene, palaeoclimatology.
Ce travail de recherche a été pour moi une grande et belle aventure qui n'aurait pas pu être réalisée sans l'aide et le soutient de nombreuses personnes :
Le Prof. Walter Wildi, directeur de l'Institut Forel, m'a proposé ce sujet de recherche et en a assuré la direction. Je le remercie de sa confiance, de son soutient et de sa disponibilité à mon égard. Je me rappellerai avec bonheur nos innombrables discussions scientifiques qui ont jalonné mon parcours de 'thésarde'.
Le Dr. André Pugin, aujourd'hui géophysicien à l'«Illinois State Geological Survey», a co-dirigé cette thèse. Avec l'inventivité et la grande compétence qui le caractérisent, il a su me transmettre son amour de la géophysique. Sa générosité et son enthousiasme magnifiques resteront pour moi un exemple.
Je tiens également à témoigner ma reconnaissance aux autres membres du jury qui ont accepté de juger ce travail et qui m'ont apporté leurs critiques et conseils avisés :
Une personne était absente du jury, il s'agit du Prof. Kerry Kelts, décédé en hiver 2001. Je regrette profondément sa disparition et je garde de lui un souvenir ému.
Merci aussi à la Dr. Anne-Marie Rachoud-Schneider, et au Dr. Raphaël Mayoraz de «Dynamic Graphics Inc.» à Sion, qui ont respectivement effectué les analyses palynologiques et le modèle en 3D de ce travail. J'ai eu beaucoup de plaisir à collaborer avec eux, à la fois pour leur expertise scientifique et leurs qualités humaines.
D'autres personnes m'ont particulièrement aidé de leurs compétences scientifiques et techniques au cours de la réalisation de ce travail :
Je tiens à leur exprimer ici ma gratitude.
Je remercie également mes collègues de l'Institut Forel, ainsi que ceux de l'Etat de Genève, et parmi eux, tout particulièrement Daniel Ariztegui, Adriana Carnelli, Michel Chevalley, Céline Guéguen, Malin Kanth, Fabrice Monna, Maud Ulmann ainsi qu'André Joly, Julie Juvet, Gilles Mulhauser, François Mummenthaler et Denis Pattay.
Parmi toutes les personnes qui ont apporté leur énergie et leur intelligence au succès de cette 'entreprise', ma collègue et amie Ira Baster est celle avec laquelle j'aurai le plus partagé mes doutes et mes joies. Pour cette collaboration à «deux 100%», merci !
Enfin, je remercie mes proches, qui m'ont soutenue de leur amitié et leur amour.
Cette recherche a été subventionnée par les projets n° 2000-42108.94 et 2000-052432.97/1 du Fonds National Suisse pour la Recherche Scientifique que je remercie sincèrement.