Rapport de terrain : dynamique sédimentaire et milieux de

sédimentation dans la région de Barrème

Sylvain Block

21 octobre 2008

Table des matières

Introduction 1

1 La série sédimentaire plissée de Senez 1

1.1 Description des faciès . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Histoire tectonique et sédimentaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3 Carte géologique, coupe et log stratigraphique de Senez . . . . . . . . . . . 5

2 La série sédimentaire tabulaire de Taulanne 6

2.1 Description des faciès . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2 Histoire sédimentaire de Taulanne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.3 Carte géologique et log stratigraphique de Taulanne . . . . . . . . . . . . . 9

3 Corrélation des terrains sédimentaires et des milieux de dépôt à l'échelle

régionale 9

3.1 Une correspondance entre les lithologies et les histoires sédimentaires desterrains étudiés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3.2 Conclusion : la sédimentation du Tertiaire dans le contexte orogénique alpin 12

Introduction

Les terrains étudiés pendant la seconde partie du stage se situent au niveau de la couver-ture sédimentaire des Alpes du sud, dans le synclinal de Barrème. Le travail réalisé consistaità reconnaître les di�érentes roches sédimentaires du Mésozoïque et du Cénozïque dans lesenvirons de Barrème, puis à identi�er le milieu de dépôt et la géométrie de ces sédimentsa�n de reconstituer une évolution des milieux de sédimentation dans le cadre de l'histoirede l'orogenèse alpine. Ce rapport présente d'abord la nature et le contexte de sédimentationdes roches observées à Senez et Taulanne. Les observations faites sur ces deux terrains sontensuite corrélées et mises en relation avec les analyses déduites de l'observation des autresa�eurements étudiés dans le synclinal de Barrème.

1 La série sédimentaire plissée de Senez

1.1 Description des faciès

Les Marnes Bleues

Les marnes bleues sont des sédiments qui se sont déposées au Crétacé entre l'Aptien et leCénomanien. Ce sont des roches bleues, friables, à grain très �n, ne contenant pas de silice,qui se débitent en petits feuillets �ns ou forment parfois des bancs tendres d'une dizainede cm d'épaisseur. Occasionnellement (notamment au niveau du faisseau Clansayésien),de rares bancs carbonatés sont intercalés dans les marnes bleues. L'absence d'élémentsdétritiques continentaux indique qu'il s'agit de sédiments de milieu marin distal.

Sur les terrains que nous avons étudié pendant le stage, la limite supérieure des marnesbleues est une troncature d'érosion : les terrains postérieurs sont en discordance angulairedessus (Fig1). Nous n'avons pas vu d'a�eurement permettant d'estimer l'épaisseur de ceniveau stratigraphique.

Le calcaire nummulitique

Le calcaire nummulitique est une roche beige à patine grise datant de l'Éocène, relative-ment massive et résistante à l'érosion, posée en discordance angulaire sur les marnes bleues(Fig1).

Figure 1: Discordance angulaire entre les marnes bleues et le calcaire nummulitique

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A Senez, le calcaire nummulitique forme une barre nette de 20 à 40 mètres d'épaisseurdans le paysage. Ailleurs, il peut constituer deux barres distinctes séparées par un niveauplus marno-calcaire et friable. Cette roche sédimentaire contient des fossiles de nummulites,de bivalves et de gastéropode. Parmi cette faune, on trouve une majorité de bivalves, enparticulier des huîtres, des organismes qui occupaient préférentiellement des milieux peuprofonds et peu agités. Cette roche est donc un dépôt de milieu marin proximal et calme.

Les marnes nummulitiques

Les marnes nummulitiques sont des sédiments de l'Éocène et de l'Oligocène de couleurgrise, déposés en concordance sur le calcaire nummulitique. Un test de dureté révèle que cesmarnes contiennent des grains de silice en plus des minéraux argileux. Il s'agit donc plutôt desilts que de marnes, la granulométrie et la strati�cation sont moins �nes que dans les marnesbleues. On y trouve également des nummulites, des foraminifères benthiques qui vivaientsur le fonds océanique jusqu'à environ 150m de profondeur. La présence de nummulites etd'éléments détritiques continentaux tels que les grains de quartz indique que ces sédimentsse sont déposés dans un bassin relativement peu profond, en zone intermédiaire entre lemilieu proximal et le milieu distal.

Les Grès de Ville

Les Grès de Ville sont des sédiments constitués de grains de sable jaune, se débitant enpetites plaquettes et présentant une strati�cation et une granulométrie variable. On trouvedes strates �nes de quelques cm d'épaisseur contenant du sable relativement �n, et d'autresplus épaisses, atteignant 10 à 20 cm d'épaisseur et pouvant contenir des grains plus gros-siers. Des niveaux argileux sont intercalés entre chaque banc de grès. Les strates présententun granoclassement et on y observe plusieurs �gures de sédimentation :

� il y a des lamines planes parallèles, indicatrices d'un milieu de dépôt animé par uncourant rapide, à la base des strates (Fig2(a)),

� la surface supérieure des strates est ondulée, il s'agit de rides de courant,� on voit des gouttières d'érosion formées par l'abrasion de la surface du sédiment lorsde l'arrivée d'un courant transportant les éléments détritiques de la strates supérieure

� en�n, on observe des �gures d'impact formés par de gros éléments tombant dans lesédiment sous jacent (Fig2(b)), des traces de bioturbation,...

(a) Lamines planes parallèles et rides decourant

(b) Figure d'impact

Figure 2: Figures de sédimentation dans les Grès de Ville.

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Le granoclassement, les �gures d'érosion décrites ci dessus ainsi que la répétition ungrand nombre de fois de ces séquences gréseuses interstrati�ées avec des marnes indiquentque les Grès de Ville sont des turbidites. L'interstrati�cation de grès et de marnes signi�eque les marnes nummulitiques se déposent continuellement et sont régulièrement recouvertespar les turbidites. Ce sédiment s'est donc formé dans le même milieu que les marnes num-mulitiques : un milieu distal su�samment proche des sources d'éléments détritiques pourqu'ils y soient transportés.

Les Grès de Ville constituent une unité d'extension �nie, au sein de laquelle on trouvedi�érentes "sous unités" dont les strati�cations varient. Ces sous unités correspondent à deslobes : les turbidites se déposent dans un "delta" sous marin, les strates sont plus épaissesau centre des chenaux et se perdent dans les marnes en périphérie. Lorsque le chenal estcomblé, un nouveau chenal se met en place, et un autre lobe se dépose à côté du précédent.

Lorsqu'ils sont présents, les Grès de Ville permettent de distinguer les marnes num-mulitiques inférieures de l'Éocène, situées stratigraphiquement sous les grès, des marnesnummulitiques supérieures de l'Oligocène, placées au dessus.

Le grès de Senez

Le grès de Senez est une roche massive brune formant des barres ou des arètes rocheusesdans le paysage et datant de l'Oligocène. Le grès, déposé en concordance sur les marnesnummulitiques, a un faciès silteux à sa base. La transition entre les marnes nummulitiqueset le grès est progressive et régulière, et l'on observe des passages des marnes au grèslatéralement dans certains bancs. Cela indique une sédimentation continue.

Le grès est strati�é. On voit des strati�cation entaillées par des limites d'érosion et deschenaux recomblés. Ceci résulte de l'action des tempêtes sur un fond marin sableux. A Senezau bord de la nationale, en parcourant latéralement les strates de la partie supérieure dugrès, on observe des lamines planes parallèles, puis des rides de courant, et en�n des HCS(Hummocky Cross Strati�cations). Il s'agit d'une coupe transversale d'un faciès de plage :on passe progressivement d'une plage battue par la houle à un fond marin a�ecté par lesmouvements d'oscillation de la surface de l'eau lors des tempêtes.

Par endroits, la base du grès de Senez est conglomératique. Il s'agit d'un conglomératà matrice sableuse, contenant des galets pouvant atteindre 20 cm de diamètre, majoritai-rement de nature calcaire. Ce conglomérat peut être relié aux conglomérats deltaïques deClumanc et �uviatiles observés à Toueste. Les grès de Senez sont donc associès au mêmesystème qui a mis en place ces conglomérats. On peut proposer deux milieux de dépôt dehaute énergie pour le conglomérat de Senez :

� Il peut s'agir de sédiments �uviatiles, le grès de Senez correspond alors sans doute àla plage proche de l'embouchure du système �uviatile.

� C'est peut être une berme de plage, mais cela semble peu probable vu la positionbasale des conglomérats.

Les molasses rouges

Les molasses rouges sont des sédiments détritiques peu triés de l'Oligocène supérieur,contenant des argiles rouges et des galets exclusivement de calcaire pouvant atteindre desdiamètres décimétriques. Ces deux caractéristiques impliquent un transport limité et unesource proche pour ces roches. A Senez, au dessus de la barre de calcaire nummulitique, lesmolasses rouges présentent un faciès typique de cône alluvial proximal puisque la proportionde galets est élevée (Fig3). Les molasses sont disposés en discordance angulaire sur les

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terrains plus anciens. Elles occupent les sommets topographiques et ont des pendages faibles.Certains niveaux sont légèrement basculées, d'autres sont subhorizontaux. En particulier,au dessus de la charnière de l'anticlinal au Nord du terrain, on voit que les molasses les plusanciennes ont été plissées alors que les plus récentes ne sont pas a�ectées par la tectonique(Fig4). On a donc un dépôt discordant syntectonique des premières molasses, qui se poursuitaprès la �n des déformations : les molasses les plus récentes sont post-tectoniques.

Figure 3: Molasses de la zone proximale du cône alluvial (forte composante de galets de calcaire)

1.2 Histoire tectonique et sédimentaire

Les marnes bleues se déposent en domaine océanique profond entre l'Albien et le Cé-nomanien. On ne trouve pas de sédiments datant entre la �n du Cénomanien et le débutde l'Éocène sur les terrains que nous avons étudié. Il y a une lacune sédimentaire, ce quiimplique que les marnes bleues ont été émergées à la �n du Cénomanien, puis elles ont étéplissées et érodées.

Les marnes bleues sont submergées à une faible profondeur à l'Éocène. Le calcaire num-mulitique se dépose en discordance sur les marnes en milieu marin calme et peu profond.

La transgression se poursuit, la tranche d'eau augmente dû à une hausse du niveaude la mer et/ou à une subsidence. Les marnes nummulitiques sédimentent sur le calcairenummulitiques dans un milieu su�samment peu profond pour que des nummulites y viventet pour que des grains de quartz y soient transportés en plus des minéraux argileux. Deschenaux dans lesquels s'écoulent des courants de turbidité entaillent les marnes nummuli-tiques. Les séquences turbiditiques qui comblent les chenaux constituent les Grès de Ville.Les marnes nummulitiques se déposent en continu et recouvrent les Grès de Ville quand lesapports turbiditiques s'interrompent. Les Grès de Ville correspondent approximativementà la limite entre l'Éocène et l'Oligocène.

L'épisode transgressif est suivi par une régression. La profondeur du bassin diminue,amenant à faible profondeur un fond marin en pente douce. Dans ces conditions, une plagese forme, il s'y accumule des éléments détritiques amenés par un �euve s'écoulant depuis lenord. Le sable et les quelques niveaux de galets amenés par le �euve sont diagénisés pourformer le grès de Senez. La régression se fait progressivement et le régime de sédimentationchange peu lors de cet événement, comme en témoigne la transition régulière des marnesau grès.

Une nouvelle transgression a lieu. En conséquence, le grès de Senez est recouvert par lasédimentation des marnes nummulitiques.

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La série sédimentaire continue de l'Éocène et de l'Oligocène s'interrompt, l'ensembledes roches sédimentaires est émergé puis plissé et faillé par une tectonique en compressionEst-Ouest associée à l'orogenèse alpine. Sur le terrain, ce raccourcissement se manifeste parplusieurs structures :

� Les marnes nummulitiques et le grès de Senez sont a�ectés par une série de plis degrande amplitude. L'intensité du plissement augmente d'Ouest en Est. En e�et, àl'Ouest de la route ces roches sont plissées en un synclinal dont les �ancs sont peupentés ; à l'Est de la route, on observe un anticlinal au relief plus prononcé d'axe 154N 20 ; puis à l'Est de l'anticlinal, on observe un synclinal qui a évolué en pli-faille etqui résulte en un doublement de l'épaisseur du grès de Senez à l'a�eurement.

� Dans la partie orientale du terrain cartographié, on observe un anticlinal déjeté versl'Ouest, dont le �anc aval est extrêmement aminci, et qui évolue aussi en pli faille :on a alors un chevauchement des marnes bleues sur les marnes nummulitiques.

� Les molasses rouges, qui sont des éléments détritiques continentaux issus de l'éro-sion des reliefs environnants formés par la tectonique compressive, se déposent endiscordance sur des terrains plissés, mais la compression n'est pas terminée. Les mo-lasses les plus anciennes sont syntectoniques alors que les dépôts les plus récents sontpost-tectonique.

Figure 4: Molasses rouges discordantes sur la charnière de l'anticlinal

1.3 Carte géologique, coupe et log stratigraphique de Senez

Le log stratigraphique suivant a une fonction synthétique, je ne dispose pas des obser-vations nécessaires pour représenter les bonnes épaisseurs des niveaux de marnes nummuli-tiques.

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(a) Carte géologique de Senez (b) Log stratigraphique

Figure 5:

Figure 6: Coupe géologique Est-Ouest selon l'axe du chemin de GR

2 La série sédimentaire tabulaire de Taulanne

2.1 Description des faciès

Les terrains du Mésozoïque

A la base de la colonne stratigraphique à Taulanne, on observe :

� La barre de calcaire gris, massif du Tithonique qui forme une falaise au niveau dessommets topographiques,

� la série marno-calcaire du Berriasien, à dominante calcaire, qui est reconnaissable auxfossiles de �ammeches et de berriasella,

� la série marno-calcaire du Valanginien, majoritairement marneuse.

On a une grande lacune sédimentaire après la �n du Valanginien. Les sédiments duCénozoïque sont disposés en discordance sur les terrains du Mésozoïque.

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Le conglomérat de Taulanne

Un conglomérat à matrice sableuse et contenant des galets de calcaire pouvant atteindreune dizaine de cm de diamètre s'est déposé en discordance sur la série marno-calcaire duValanginien. Le conglomérat contient des éléments détritiques de grande dimension, ce quiindique qu'il s'agit d'un sédiment déposé dans un milieu à haute énergie comme un �euvedont le courant peut être fort. Certains galets de calcaire dans le conglomérat portent destraces de dissolution caractéristiques d'organismes lithophages (des mollusques marins dontles sécrétions acides creusent la roche) comparables à celles que l'on a pu observer dans lecalcaire nummulitique à Senez. Un �euve de haute énergie apportait donc des produits del'érosion d'un relief calcaire proche dans un bassin marin. Le sable et les galets ont alors étéremaniés en milieu marin et diagénisés pour former ce conglomérat.

Les marnes grises

Cette unité géologique est identique aux marnes nummulitiques observées à Senez etClumanc. Cependant, la partie inférieure de la série de marnes, au contact du conglomérat,a une composante gréseuse particulièrement importante à Taulanne. On observe des bancs degrès bruns-jaunes intercalés entre les marnes grises. Les marnes sont plus "pures" au sommetde la série, ce qui indique un milieu de dépôt plus profond et distal. Elles contiennent desterriers et des fossiles de gastéropodes et de bivalves.

Le grès

Entre deux niveaux de marnes grises plus ou moins gréseuses, il y a une unité de grèsjaune massif qui porte des traces de bioturbation telles que de nombreux terriers. On observeaussi des HCS qui montrent que le sable qui constitue la roche s'est déposé sous une faibletranche d'eau, dans la zone ou l'oscillation du niveau marin du fait de la houle est percep-tible. Le grès correspond donc à un milieu de plage et d'avant plage. Autant au dessus qu'endessous du grès, on trouve des alternances de silts gris et de bancs de grès qui constituentune transition entre les marnes grises et cette unité. Le passage des marnes au grès puis desgrès au marnes s'est donc fait progressivement via un milieu de dépôt intermédiaire entrele milieu de plage et le milieu distal.

La série carbonatée

Les sédiments les plus récents observés sur ce terrain sont des calcaires. On distinguetrois sous unité dans ces roches carbonatées :

� A la base de la série, le calcaire est jaunâtre, plus ou moins grèseux, il contient de grosgrains de calcite ainsi que des nodules de silex. Cette roche, qui peut être quali�ée de"calcarénite", s'est formée en milieu marin proximal, relativement agité.

� Au dessus de cette sous unité, on trouve une roche plus grise et à grain beaucoup plus�n, contenant des fossiles de gastéropodes et de miliole, un foraminifère benthiquecaractéristique de milieux con�nés et salés. Ce calcaire micritique s'est donc formédans un environnement de type lagune ou mer fermée.

� Au sommet de la série carbonatée se trouve une épaisse couche de tuf calcaire, c'està dire un calcaire poreux, laminé, précipité sur des végétaux tels que des algues oudes mousses du fait de leurs actions photosynthétiques. Il s'agit d'un dépôt carbonaté

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continental, lacustre ou palustre.

Les roches carbonatées décrites ci-dessus illustrent l'évolution du milieu de sédimenta-tion : on passe d'un milieu océanique peu profond à un bassin con�né d'eau salée, puisdes dépôts carbonatés continentaux se forment dans un milieu d'eau douce. Cette évolutioncaractérise la fermeture d'une mer ou d'un océan.

2.2 Histoire sédimentaire de Taulanne

Les sédiments du Mésozoïque sont émergés, plissée et érodés jusqu'aux terrains du Va-laginien avant d'être immérgés à nouveau. Le bassin marin peu profond qui recouvre larégion est alimenté par un �euve qui charrie des matériaux détritiques grossiers depuis desreliefs proches. Ces éléments sont remaniés en milieu marin et forment un conglomérat quirecouvre en discordance le Mésozoïque.

Par la suite, une transgression a lieu, résultant sans doute de la subsidence du bassin.La profondeur du milieu de sédimentation augmente, ce qui permet le dépôt de marnesgrises. Ces marnes deviennent de plus en plus gréseuses : des bancs de grès sont intercalésentre les silts. Ceci indique une augmentation graduelle de l'énergie du milieu, donc unebaisse progressive du niveau marin due à une régression ou a un comblement du bassin. Aumaximum de cet événement, on se trouve au niveau d'une plage qui donne les grès aprèsdiagenèse.

Le bassin sédimentaire s'approfondit à nouveau lors d'une transgression. Les grès sontrecouverts d'abord par une alternance marno gréseuse puis par des marnes déposées enmilieu distal.

La fermeture du bassin d'avant pays s'amorce ensuite, l'épaisseur de la tranche d'eaudiminue, ce qui permet la mise en place d'une couche de calcaires à silex. Elle se poursuit etse traduit par la formation de milieux con�nés comme des lagunes ou des mers dont l'eauest peu renouvellée, dans lesquels du calcaire micritique à milioles se dépose. Au �nal, lamer se retire, la dépression est remplie par un lac dans lequel se forment des carbonatescontinentaux : des tufs calcaires.

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2.3 Carte géologique et log stratigraphique de Taulanne

(a) Carte géologique de Taulanne (b) Log stratigraphique

Figure 7:

3 Corrélation des terrains sédimentaires et des milieux de

dépôt à l'échelle régionale

3.1 Une correspondance entre les lithologies et les histoires

sédimentaires des terrains étudiés

Les terrains de Clumanc, Senez et Taulanne, que nous avons étudié pendant ce stage,sont alignés selon un axe Nord-Sud. Sur place, nous avons vu que certaines unités géolo-giques étaient continues et présentes à chacun des trois lieux, alors que d'autres avaientune extension �nies et n'étaient pas observées sur tous les terrains. Autant à Clumanc qu'àSenez et Taulanne, la sédimentation a été continue entre le début de l'Éocène et le milieude l'Oligocène. Je vais à présent reconstituer une chronologie des événements sédimentairesen mettant en évidence la variation des milieux de dépôts entre le Nord (Clumanc, Senez)et le Sud (Taulanne) de la zone étudiée.

E�ectuons une comparaison des logs stratigraphiques :

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Figure 8:

On voit que les conglomérats de Taulanne peuvent être associés aux calcaires nummu-litiques de Senez et Clumanc. La variation latérale de faciès est à relier à la distance à lacôte et à l'embouchure du �euve qui charriait les galets du conglomérat au Sud.

De même, le grès ayant un faciès de plage ou d'avant plage à Taulanne est l'équivalentstratigraphique des Grès de Ville, qui sont des turbidites. Là encore, le milieu proximal setrouve au Sud au niveau de Taulanne.

En�n, les conglomérats de Clumanc sont des sédiments détritiques �uviatiles équiva-lant au grès de Senez, qui a un faciès d'avant plage et de plage, mais on ne retrouve pasd'équivalent de cette unité géologiquu à Taulanne.

On a donc un rétrécissement du bassin d'avant pays avec l'apparition de sédiments conti-nentaux et d'un milieu marin proximal au Nord de la zone étudiée. Le calcaire de milieumarin con�né, puis le calcaire lacustre qui sont à Taulanne illustrent la fermeture du bassin.On ne trouve pas d'équivalents de ces roches.

Reconstituons à présent une chronologie des événements sédimentologiques tout en met-tant en évidence les variations latérales de faciès :

� Les terrains du Secondaire sont immergés à faible profondeur, sans doute du fait d'unesubsidence. Les conglomérats marins à matrice gréseuse se déposent en milieu proxi-mal, à Taulanne. Le calcaire nummulitique se met en place plus au Nord, en milieuplus distal (Fig9(a)).

� La transgression se poursuit, des marnes se déposent partout (Fig9(b)).

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(a) (b)

Figure 9: T=Taulanne, S=Senez, C=Clumanc

� Le sable qui constituera le grès de Taulanne se dépose sur la rive. Plus au Nord, lasédimentation des marnes se poursuit. Elles sont recoupées par des turbidites qui for-meront les Grès de Ville (Fig10(a)).

� Le Grès de Ville et de Taulanne sont recouverts par des marnes grises : la transgressioncontinue (Fig10(b)).

(a) (b)

Figure 10:

� Le Nord du bassin (soit la zone de Clumanc) est émergé, peut être du fait d'une sur-rection. Un système �uviatile s'écoule du Nord vers le Sud ; il dépose des conglomératsdeltaïques à Clumanc et des grès ayant un faciès de plage à Senez. Il semble que lebassin se soit "translaté", devenant plus profond à Taulanne et moins profond à Senez(Fig11(a)).

� Une trangression permet la sédimentation de marnes sur toute la région, puis le bassinse referme. Des carbonates lacustres se déposent à Taulanne : on passe à des sédimentscontinentaux (Fig11(b)).

(a) (b)

Figure 11:

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� Après la fermeture du bassin d'avant pays, les creux topographiques sont comblés pardes molasses rouges. Issus de l'érosion des reliefs, ces sédiments sont transportés dansun cône alluvial partant de Senez et orienté vers le Nord.

3.2 Conclusion : la sédimentation du Tertiaire dans le

contexte orogénique alpin

L'océan alpin se referme au cours du Crétacé Supérieur. Les sédiments datant du Crétacéet du Jurassique sont alors émergés et plissés. C'est ce que nous avons constaté en observantles marnes bleues à Senez et la série marno-calcaire à Taulanne. Le début du Tertière coïncideavec le début de l'orogenèse alpine. La constitution des reliefs entraîne la �exuration de lalithosphère en avant de la subduction, au Nord et à l'Ouest de la chaîne. Les dépressionsengendrées par cette déformations sont occupées par la mer, et les bassins d'avant paysainsi formés vont donner lieu à la sédimentation Éocène et Oligocène que nous avons étudiédans la région de Barrème. Ces bassins sédimentaires sont contrôlés par la tectonique,ce qui implique des subsidences et des surrections régulières, et reçoivent des apports dematériaux détritiques venant du démantèlement des reliefs proches. L'épaississement de lachaîne décale la �exuration et translate les bassins d'avant pays vers l'extérieur des Alpes, cequi peut parfois expliquer l'évolution de la répartition géographique des sédiments distauxet proximaux au cours du temps. La compression entraîne une surrection des terrains autourde la chaîne, si bien que la mer se retire. A la �n de l'Oligocène, les bassins �exuraux sontcomblés par des sédiments continentaux tels que les molasses et les dépôts lacustres.

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