Socle varisque et tectoniques rhénanes dans le Fossé

43GÉOLOGIE DE LA FRANCE, N° 3, 2002

Résumé

Les données originales du levé gra-vimétrique détaillé effectué par les MinesDomaniales de Potasse d’Alsace (MDPA)dans le Fossé rhénan alsacien, complétéessur les bordures par des données prove-nant de sources diverses, ont permis detracer des cartes des anomalies deBouguer de la partie méridionale duFossé rhénan supérieur. Après suppres-sion de l’effet gravimétrique de la couver-ture sédimentaire, la carte corrigée et lescartes transformées (dérivées, prolongées,filtrées) ont abouti au tracé d’une cartehypogéologique du socle. Les sériesvolcano-sédimentaires et plutoniquesdévono-dinantiennes et la structurationNNW-SSE des Vosges méridionales sepoursuivent sous le fossé jusqu’en Forêt-Noire. Ces structures sont coupées etdécalées par des failles coulissantessénestres orientées N30-35°, dont l’acti-vité principale remonte au Viséen supé-rieur. En raison de directions decontraintes favorables, ces accidents ontrejoué en failles normales à l’Eocène-

Oligocène et ont donc fortement influencéla sédimentation pendant le rifting. Letraitement et l’analyse des anomalies decourtes longueurs d’onde de la carte àhaute densité de mesures met en évidenceles accidents N15-20° actifs pendant ladistension oligocène, ainsi que les acci-dents N5-10°, N145-150° et N55-60°résultant de la tectonique post-miocène.Les accidents susceptibles d’être actifsdans le régime de contraintes actuel sontles plus marqués ; ce sont essentiellementdes accidents décrochants de directionN0° à N10°. Ils apparaissent principale-ment dans les régions d’Altkirch, deFerrette et de Sierentz-Kembs. Cependant,des accidents préexistants avec une direc-tion adéquate peuvent également êtreréactivés. Ainsi, les cartes gravimétriquesrelatives au socle montrent que le séismeprincipal de Sierentz a résulté de la réac-tivation d’un accident décrochantvarisque N30-35°. Un levé gravimétriqueavec une densité de stations élevée permetainsi de localiser les failles potentielle-ment actives et de contribuer à l’identifi-cation des zones à risque sismique.

Abridged English version

The southern Upper Rhine Graben(Fig. 1) and its Paleozoic environmentwere affected by two main tectonic events:1) Variscan plate collision during the LateDevonian and Early Carboniferous, and2) graben formation cutting the Europeanplate from the North Sea to the westernMediterranean during the Tertiary. Thesouthern Upper Rhine Graben is alsoknown for its recent seismic activity; in1356 a strong earthquake destroyed thecity of Basle and, more recently in 1980,an earthquake with a magnitude of 4.8occurred in the region of Sierentz(Rouland et al., 1980) (Fig. 2).

Bouguer anomalies mainly reflect thethickness variations of the sedimentarycover and density contrasts due todifferent petrographic units in the upperbasement (Edel, 1982; Edel and Fluck,1989; Rousset et al., 1993). Processing ofa detailed gravimetric map, therefore, canprovide information both on the basementand on the tectonism related to basinformation. A very dense data set was

Socle varisque et tectoniques rhénanesdans le Fossé rhénan supérieur méridional :traitement et interprétation de la cartegravimétrique du fossé à partirdu levé haute densité des MDPA

The Variscan basement and the Rhenish tectonism in the southern Upper Rhine graben;processing and interpretation of the gravity map derived from MDPA high-densitymeasurements

Jean-Bernard EDEL (1)

Harold LUTZ (1)

Philippe ELSASS (2)

Géologie de la France, n° 3, 2002, 43-59, 13 fig.

Mots-clés : Carte gravimétrique, Socle, Faille, Faille décrochement, Orogénie varisque, Rifting, Néotectonique, Bas-Rhin, Fossé RhénanSuisse, Graben Haut-Rhin.

Key words: Gravity survey maps, Basement, Faults, Strike-slip faults variscan orogeny, Rifting, Neotectonics, Bas-Rhin France, Swiss RhineGraben, Upper Rhine Graben.

Manuscrit déposé le 16 juin 2002, accepté le 18 septembre 2002.(1) EOST Institut de physique du Globe, 5 rue René Descartes, 67084 Strasbourg cedex, France.(2) BRGM, Parc Club des tanneries, 15, rue du tanin, Lingolsheim, BP 177, 67834 Tanneries cedex

SOCLE VARISQUE ET TECTONIQUES RHÉNANES DANS LE FOSSÉ SUPÉRIEUR MÉRIDIONAL

GÉOLOGIE DE LA FRANCE, N° 3, 200244

measured in the Rhine Graben by theMines Domaniales de Potasse d'Alsace(MDPA) in the late 1940s. Although notyet interpreted quantitatively, these datahave been exploited in order to 1)demonstrate that a high-density map canprovide relevant information on finestructures in the upper crust, 2) specifythe nature and structures of the Paleozoicbasement beneath the sedimentary cover,and 3) identify and locate faults related toEocene-Oligocene graben formation andpost Late Miocene NW-SE compression.

Two gravimetric maps were compiled;one covering the graben and based on theMDPA high-density data, and the othercovering a larger area extending to theVosges and the Black Forest grabenborders and including data from varioussources (Rousset, 1992; SEISMOS ref; etc.)(Figs. 2, 3, 4). In order to study densitydistribution in the Paleozoic basement, thegravimetric effect of the Mesozoic andCenozoic sediments was computed andremoved from the Bouguer anomalies(Lutz, 1999) (Fig. 5). For this purpose,isopach maps were established anddigitized, and the effect of salt diapirs wasmodelled using parallelepipeds. The effectof the Moho topography (Edel et al., 1975)is only visible in the southern part of themap and is removed by filtering “the longwavelengths”. The new map (Fig. 6) showssome significant differences compared tothe previous one (Fig. 4). A positiveanomaly appears beneath the Dannemariebasin. The N060°-striking negativeanomaly centred on the Mulhouse horst isemphasized and separates a narrow,N060°-striking positive anomaly from alarger one with an apparent E-W direction.Despite removal of the effects of the lowdensity Cenozoic sediments, a negativeanomaly persists beneath the potash basin.

Interpretation of the corrected map interms of Paleozoic structures anddiscontinuities is easier after computingfirst- and second-order vertical derivativesand downward continuations. On thevertical gradient map (Fig. 7), the negativeanomalies can be assigned mainly togranite and the positive anomalies to aDevonian-Dinantian volcano-sedimentarysuccession that crops out in the southernVosges basin and the Badenweiler-Lenzkirch zone (ZBL, Fig. 2) (Edel andFluck, 1989). The discontinuities representeither faults or contacts between units withcontrasting densities. By also using the

magnetic properties derived from themagnetic map of Spreux (1975), i.e.reduced-to-the-pole and vertically derived,it was possible to draw a geological sketchmap of the Paleozoic basement (Fig. 9).This map shows that the Late Devonian toLate Visean WNW-ESE volcano-sedimentary and plutonic units of thesouthern Vosges continue beneath thegraben sediments towards the southernBlack Forest. Most of the magnetic rocksshow low to intermediate densities and areinterpreted as monzonitic and dioriticbodies, comparable to those that crop outaround the Ballons pluton (Edel and Lossy,1975). The WNW-ESE-striking structuresare cut and offset by NNE-SSW faultsparallel to the Ste-Marie-aux-Mines andHunsrück-Kohlschlag faults (FHK, Fig. 9),which were active as sinistral strike-slipfaults in Late Visean times (Fluck et al.,1989; Edel and Fluck, 1989). The majoroffset occurred west of the Mulhouse horst.According to the previously availablegravimetric data, the 10-km-wide wrenchzone extends for about 200 km northward,as far as the Odenwald (Rousset et al.,1994; Edel and Weber, 1995).

The major N030-035° basementfaults were reactivated as normal faultsduring graben formation and stronglyinfluenced sedimentation. This wasparticularly the case during the NNE-SSW Eocene compression and, to a lesserdegree, during the W-E extension(Bergerat, 1985) (Fig. 11).

In addition to density distributionwithin the basement, the Bouguer map pro-vides information on the Tertiary sedimen-tary cover and on the faults active duringthe Late Tertiary to recent tectonism. By fil-tering the long wavelengths, through verti-cal derivation or downward continuation,the effects of faults and density variation inthe uppermost crust are emphasized. Afterremoving wavelengths of over 4 km, theresidual anomalies, along with the first-and second-order vertical gradient maps,were used to plot gravimetric discontinu-ities representing faults and density con-trasts within the uppermost crust (Fig. 10).The anomalies with the highest intensitiesand shortest wavelengths display predomi-nantly N0-010° trends followed, indecreasing order, by N145-150°, N055-060° and N095-100° trends. These direc-tions reflect the stress regime affecting thesouthern Upper Rhine Graben since thelatest Miocene and coincide with the fault

directions derived from focal mechanismsobtained over the last few decades(Rouland et al., 1980; Bonjer et al., 1984;Bonjer, 1997). Within the potash basin, theprominent negative anomalies are due tosalt diapirs. A second family of anomalieswith slightly longer wavelengths and trend-ing N015-020° and N060-070° can be dis-tinguished. Most coincide with the westernand northern flanks of the Mulhouse horst,and others with the Oligocene faultsobserved on seismic sections. This N015-020° direction coincides with the maindirection of the southern Upper RhineGraben resulting from Oligocene WNW-SSE to W-E extension (Bergerat, 1985)(Figs. 10, 11).

Owing to their strike, certain of themapped discontinuities are faultssusceptible to respond to the presentstress regime. For the Sierentz earthquakein 1980, the interpretation of thegravimetric maps shows that the mainquake was due to reactivation of aVariscan N030-035° strike-slip fault,while the aftershocks involved fracturesreflecting the present stress regime(Fig. 11). This type of interpretationshows that a detailed gravimetric map is auseful tool for locating potential seismicfaults and constraining seismic risks.

IntroductionLes cartes gravimétriques et

magnétiques de la région du Fossé rhénansupérieur ont fait l’objet de plusieursétudes visant à mettre en évidence lanature et la structure du socle varisque(Edel, 1982 ; Edel et Fluck, 1989 ; Roussetet al., 1993) ainsi que la structure profondedu môle rhénan (Rousset et al., 1993). Desétudes plus détaillées ont également étémenées dans la région de Soultz-sous-Forêts par Corpel et Debeglia (1994) etdans la partie moyenne du Fossé rhénansupérieur (Saverne-Baden-Wissembourg-Sélestat) par Papillon (1995).

Outre les données collectées par leBRGM pour l’établissement de la cartegravimétrique de la France, il existe unecarte allemande ancienne dressée par lasociété SEISMOS pour le compte de l’Amtfür Bodenforschung de Hannovre, ainsiqu’une compilation des données duBRGM et du Bureau GravimétriqueInternational (parties allemande et suisse)réalisée par Rousset (1992) dans le cadredu programme ECORS. Dans les années



1947-1950, la partie sud du fossé alsaciena fait l’objet d’une campagne de prospec-tion gravimétrique particulièrementdétaillée (6,6 stations/km2) par les MinesDomaniales de Potasse d’Alsace (MDPA).Une partie des données concernant la partienord du bassin potassique a été intégrée parRousset pour le programme ECORS. Uneautre partie couvrant la région deMulhouse avait été numérisée et exploitéepar Kern (1971) mais n’a pas étéconservée. Le travail de numérisation desdonnées MDPA a été repris et étendu à unezone plus large incluant le sud du bassinpotassique, les bassins de Dannemarie etde Sierentz ainsi que le horst de Mulhouse(ou du Sundgau) dans le cadre du pro-gramme GeoFrance3D Fossé Rhénan parLutz (1999).

Dans cette étude nous présentons lescartes des anomalies de Bouguer établies àpartir des données MDPA et des autresdonnées disponibles, ainsi que la carte cor-rigée de l’effet des sédiments tertiaires. Lesobjectifs sont 1) de montrer qu’un levé gra-vimétrique à haute densité de mesurespermet de mettre en évidence des struc-tures fines de la croûte supérieure, interpré-tables en termes de tectonique polyphasée,2) de contraindre la nature et la structure dusocle varisque sous la couverture sédimen-taire, et 3) de mettre en évidence les acci-dents liés à la phase de rifting del’Eocène-Oligocène, puis à la tectoniquecompressive du Miocène terminal à nosjours. À ces fins on utilisera les outils clas-siques du traitement de cartes : filtrage,dérivées verticales, prolongement vers lebas et vers le haut. On examinera dansquelle mesure la sismicité du fossé méri-dional est conditionnée par les accidentsdans la couverture et le socle mis en évi-dence par la gravimétrie.

Cadre de l’étudeet contexte géologiqueLa zone étudiée est située entre les

massifs paléozoïques des Vosges à l’ouestet de la Forêt-Noire (Schwarzwald) à l’est(fig. 1). Le bassin potassique et le front duJura forment respectivement les limitesnord et sud (fig. 2). Dans les deux massifs,que l’on attribue classiquement audomaine varisque moldanubien, paropposition au Saxothuringien, situé dansles Vosges au nord de la suture de Lalaye-Lubine (Fluck et al., 1991), la géologie dusocle est dominée par des bassins volcano-

sédimentaires dévono-dinantiens intrudéspar plusieurs générations de granitoïdes :bassin des Vosges méridionales, bassin deSchopfheim au sud de la Forêt-Noire, etzone de Badenweiler-Lenzkirch (ZBL)dans la Forêt-Noire à la hauteur deMüllheim (fig. 2).

Le volcanisme, qui occupe la majeurepartie des bassins, s’est manifesté à partirdu Dévonien supérieur par la mise enplace de basaltes et de rhyolites àcaractère tholéiitique et calco-alcalin peupotassique, puis au Viséen supérieur par

des andésites, ignimbrites et tufs évoluantd’une tendance calco-alcaline vers uncaractère plus shoshonitique (Coulon etal., 1979 ; Bébien et Gagny, 1979 ; Andréet Bébien, 1983 ; Schneider, 1994).

Au Viséen inférieur à moyen, les pre-mières plutonites, d’abord considéréescomme le faciès de bordure du granite desBallons, présentent un caractère tholéii-tique qui témoignerait d’une intrusion dansune déchirure continentale (André etBébien, 1983). Cette déchirure serait leprolongement sud-oriental de la faille

Rastatt

Basel

Freiburg

Mulhouse

Colmar

Sélestat

Strasbourg

Wissembourg

Haguenau

Saverne

48°

49°

7° 8°

Offenburg

0

Kaiserstuhl

10.5

3

2.5

1.5

2

1.5

2

1.5

1

10.5

1.5

2

0.5

20 km20 km

Tertiaire

Secondaire des champs de fracture

Secondaire

Primaire

failles

isobathe en km

ISOBATHES DE LA BASE DU TERTIAIRE

0.5

VOSG

ES

SCHW

ARZW

AL D

F. de Lalaye-Lubine

F. de Baden-B

JBE

Fig. 2

Fig. 1.- Carte des isobathes de la base du Tertiaire dans la partie sud du Fossé rhénan supérieur, d’aprèsDoebl (1970), CEC (1979), Papillon (1995), Lutz (1999).

Fig. 1.- Isobaths of the base of the Tertiary in the southern part of the Upper Rhine Graben (after Doebl[1970], CEC [1979], Papillon [1995], Lutz [1999]).



décrochante dextre du Pays de Bray dont lerejet horizontal dépasserait plusieurs cen-taines de kilomètres (Edel et Weber, 1995).Peu après, vers 340 Ma, se mettent en placeles massifs de granites calco-alcalins desBallons et des Crêtes. Entre 334 et 330 Ma,les Vosges moyennes et la Forêt Noireméridionale sont intrudées par des granitesprovenant essentiellement de la fusioncrustale d’une croûte sur-épaissie (Boutinet al., 1995 ; Schaltegger et al., 1996 ;Schulmann et al., in press).

Cette phase tectonique varisque situéeentre le Dévonien et le Viséen est aujour-d’hui interprétée comme une collision deplaques au cours de laquelle la plaquesaxothuringienne se serait enfoncée vers lesud-est sous la plaque moldanubienne,tandis que la faille du Pays de Bray jouaiten décrochement dextre (Oncken, 1997).

L’érosion de la chaîne varisque setraduit par une sédimentation détritiquecarbonifère supérieur et permienne repré-

sentée dans la moitié sud de notre zoned’étude. Le Houiller et le Permien sontprésents au sud des Vosges, dans le bassinde Ronchamp, ainsi que dans le sud de laForêt-Noire, dans le bassin deSchopfheim (fig. 2). Dans le sondageprofond de Knoeringue situé dans le horstde Mulhouse, le Permien recouvre direc-tement un granite varisque. La sédimen-tation mésozoïque, qui comprend latrilogie triasique du Buntsandstein, duMuschelkalk et du Keuper ainsi que lesdépôts du Jurassique, est relativementhomogène dans la zone étudiée, sansgrande variation en épaisseurs (800 à1000 m) susceptibles d’avoir un effet surles anomalies de Bouguer. Du Crétacésupérieur à l’Eocène la tectonique com-pressive pyrénéenne se fait sentir égale-ment dans la région du fossé.

De l’Éocène à l’Aquitanien, la tecto-nique de graben donne lieu à une sédimen-tation très différenciée qui se traduit pardes dépôts de sédiments variant de

quelques centaines de mètres sur le horstde Mulhouse à plus de 3000 m dans lefossé de Rastatt (fig. 1). C’est àl’Oligocène, sous un régime d’extensionW-E affectant tout l’est de la France ainsiqu’une large zone en Europe, que les plusfortes épaisseurs de sédiments se sontdéposées (Doebl, 1970 ; CEC, 1979 ;Bergerat, 1985). À l’Aquitanien, une phasecompressive NE-SW provoque un bascule-ment du bâti rhénan vers le nord, qui limitela sédimentation à la partie septentrionaledu fossé. À plus grande échelle, la com-pression est suivie d’une rotation anti-horaire des blocs corso-sardes, sud alpinset apennins (Edel, 1988 ; Edel et al., 2001).À la même époque le mouvement vers leNNE de l’Afrique passe à une dérive versle NNW (Archambault, 1984). À partir duMiocène terminal, le régime descontraintes devient à nouveau compressifet prend une orientation NW-SE. De petitsbassins orientés NW-SE apparaissent dansle sud-est du fossé (fig. 1) et à l’extrémiténord du Fossé rhénan supérieur à Mayence.

2290

2300

2310

2320

2330

940 950 960 970 980 990 1000

47˚30'

940950 960 970 980 990 1000

7˚30'7˚00' Lambert II étendu (km)

Rhin

Lörrach

2290

2300

2310

2320

2330

2,6

2,4

2,0

2,6

2,5

2,5

2,4

2,4

Stations MDPA

carte SEISMOS

archives allemandes

stations ECORS

densité utilisée

(données MDPA

et carte allemande)

limite des zones

à densité de correction

constante

granite

gneiss

Dévono-Dinantien

rampe post-Pliocène

clocher

forage profond

2,4

Basel

Thann Müllheim

Mulhouse

Ferrette

Masevaux

Dannemarie

Sierentz

Ensisheim

Altkirch

Leymen

Blodelsheim

Knoeringue

Illfurth

Soultz

HORST DE MULHOUSE

BASSIN POTASSIQUEZBL

BASSIN DE

SCHOPFHEIM

BASSIN DE

RONCHAMP

FRONT DU JURA

VOSGES MERIDIONALES

Fig. 3

Fig. 4

Fig. 2.- Carte de localisation des stations de mesures gravimétriques et contours des cartes gravimétriques. Rampes pléistocènes d’après Nivière et Winter(2000). ZBL : zone de Badenweiler-Lenzkirch.

Fig. 2.- Location of the gravimetric stations and the gravimetric maps. Location of the Pleistocene ramps (after Nivière and Winter [2000]). ZBL: Badenweiler-Lenzkirch zone.

Les mécanismes au foyer des séismesenregistrés pendant les dernièresdécennies (Rouland et al., 1980 ; Bonjer,1997) montrent que ce contextetectonique est encore en vigueur et qu’ilse manifeste essentiellement par desfailles coulissantes sénestres N-S à NNE-SSW, dans une moindre mesure par desfailles normales NW-SE et plus rarementpar des failles inverses NE-SW. Le sud duFossé rhénan supérieur est d’ailleursconnu pour son activité sismique : untremblement de terre important détruisitla ville de Bâle en 1356 et plusrécemment, en 1980, un séisme demagnitude 4,8 s’est produit dans la régionde Sierentz (Rouland et al., 1980) (fig. 2).

Les cartes d’anomaliesde Bouguer

Le levé des MDPA

Les mesures ont été effectuées de1947 à 1951 avec un gravimètre Westernen suivant routes et chemins avec un pasconstant de 200 m. Elles ont étéconsignées dans des cahiers où sontdétaillés les calculs de l’anomalie deBouguer, des cahiers condensés ainsi quedes cartes à 1/50 000. La zone qui nousintéresse comporte 5 cahiers et une carte,et comprend 9 124 stations. L’anomaliede Bouguer a été calculée comme suit :

avec :

2πρGz : la correction de plateau,

ct : la correction topographique,

go : la valeur sur le sphéroïde deréférence, qui inclut la correction delatitude.

La densité adoptée pour la correctionde plateau est de 2,0 pour le bassinpotassique et de 2,4 pour le reste de lazone (fig. 2). L’expression du sphéroïdede référence pour la seule zone étudiéepeut être retrouvée à partir de la valeur dug corrigé et de ∆g. Les stations demesures sont repérées en coordonnéesplanes Lambert Nord de Guerrecorrespondant à l’ellipsoïde de Plessis.

Les données ECORS

Elles ont été collectées par Rousset(1992) et proviennent du BRGM, partielle-ment des MDPA ainsi que du BureauGravimétrique International (BGI). Ellesconsistent en 20 000 stations réparties entreX = 880 km et X = 1 120 km, Y = -20 kmet Y = 190 km en coordonnées LambertNord. La correction topographique a étéeffectuée avec une densité de 2,67.

La carte SEISMOSet les archives allemandes

Il s’agit de cartes à 1/200 000 quicouvrent l’ensemble Fossé rhénan –Forêt-Noire, réalisées par la sociétéSEISMOS pour le compte de l’Amt fürBodenforschung vers 1950. Les valeursde ∆g sont reportées à côté des points de

mesure qui sont repérés dans un systèmede coordonnées géographiques basé surl’ellipsoïde de Bessel 1841. L’altitude deréférence adoptée pour les correctionsd’altitude et de plateau diffère suivantles zones, de même que la densité pourla correction de plateau. Nous n’avonspris en compte que les valeurs calculéesà la même altitude de 200 m.

Des données d’archives fournies parle Service géologique de Bade-Würtemberg sous forme de tableau, sanscalcul détaillé de ∆g, ont également étéprises en compte pour combler quelqueslacunes en bordure de la carte.

Les cartes d’anomalies

La première opération a consisté àramener toutes les données dans le



omesuré gctGzdzdgzgg −++−=∆ πρ2

altituded'correctionla:dzdgz

960 965 970 975 980 985 990 km2385

2390

2395

2300

2305

2310

2315

2320

2325

2330

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

Anomalie de Bouguer

mGal

Sierentz

Ferrette

Mulhouse

Leymen

Altkirch

Illfurth

Knoeringue

Rhin

Fig. 3.- Carte des anomalies de Bouguer obtenues à partir du levé à haute densité de stations des MDPA.

Fig. 3.- Bouguer anomaly map obtained from the MDPA high-density data.



système de coordonnées Lambert IIétendu, ce à partir du système Nord deGuerre pour les données MDPA, dusystème Lambert I pour les donnéesECORS et du repère géographique pourles données SEISMOS.

Chaque type de données gravimé-triques a été calculé par rapport à unsystème gravimétrique et à un ellipsoïdegéodésique de référence différent. Lesdonnées du BRGM s’expriment dans lesystème de la Carte Gravimétrique de laFrance (CGF, ellipsoïde de 1930), lesdonnées du BGI par rapport à l’ellipsoïdede 1967 du système gravimétrique IGSN71, et les données MDPA dans unsystème gravimétrique local qui n’est pasrattaché au CGF. Une partie des donnéesMDPA a déjà subi des calages successifs,d’abord dans le système CGF par la

SNEA(P), puis dans le système IGSN71.Transmises au BGI elles ont finalementété intégrées par Rousset (1992) dans lesdonnées ECORS.

Plutôt que de refaire les mêmes opé-rations et d’obtenir un calage imparfaitdes données MDPA dans le systèmeactuel, nous avons préféré attendre quedes mesures absolues programmées pourla partie méridionale par l’équipe de gra-vimétrie de l’EOST, aient été réalisées.Les données MDPA pourront alors êtrerecalées de façon plus rigoureuse. Enattendant, comme l’objectif de ce travailétait avant tout une interprétation géolo-gique des anomalies de Bouguer ayantpour origine les variations de densitédans la croûte supérieure, un calage dansun repère absolu n’était pas nécessaire.Toutes les données ont donc été ramenées

au niveau de base MDPA en calculant lesdifférences moyennes avec les autreslevés dans les zones de recouvrement.Ces différences sont de 42 mgal avec lesdonnées ECORS, de 18 mgal avec lacarte SEISMOS, de 2 et 8 mgal avec lesdonnées des archives allemandes. Ladensité de référence de la carte finale estdonc de 2,4.

Une première carte détaillée desanomalies de Bouguer ne comprenant quedes données haute densité des MDPA a ététracée dans le rectangle défini par960<X<990 km et 2285<Y<2330 km (fig.2, 3). Elle servira essentiellement àl’étude des anomalies résiduelles àcourtes longueurs d’onde, d’origine peuprofonde. La deuxième carte est obtenueaprès calage de toutes les données (fig. 4).Compte tenu de la plus faible densité de

Anomalies de Bouguer

940 945 950 955 960 965 970 975 980 985 990 995 1000 km2285

2290

2295

2300

2305

2310

2315

2320

2325

2330

2335

Altkirch

Sierentz

Dannemarie

Masevaux

Thann

Bl.G.

Ensisheim

Chalampé

Mulhouse.

Delle Ferrette

Basel

Lörrach

Müllheim

Leymen

Illfurth

Knoeringue

Soultz

-6-4-202468101214161820222426

mGal

BP

BD

HM

Fig. 4.- Carte des anomalies de Bouguer obtenues à partir du levé MDPA (domaine limité par un tireté) et sur le pourtour à partir des autres données disponibles(fig. 2).

Fig. 4.- Bouguer anomaly map obtained from the MDPA high-density data and other available data (respectively, inside and outside (Fig. 2) of the dashed line).



mesures à l’extérieur du levé MDPA, lacarte des anomalies y est forcément moinsdétaillée que sur la précédente. Le calageentre les différents levés étant plus oumoins bien réussi selon les zones et letype de données, des artéfacts pourrontapparaître sur les cartes transformées auxfrontières orientales du levé.

Traitement des cartesUne carte des anomalies de Bouguer

intègre les effets des variations dedensité sous la surface de référence.L’interprétation de la carte brute ne peutdonc être qu’approximative. Pour en tirerle maximum d’informations, des transfor-mations dépendant de l’objectif recherchésont nécessaires : filtrages, dérivations etprolongements. Une première série detraitements a été effectuée sur les cartesd’anomalies de Bouguer afin d’obtenirdes informations sur la tectonique degraben éocène-oligocène et sur la tecto-nique post-miocène. Le filtrage passe-haut et, les dérivées verticales première etseconde permettent la mise en évidencedes anomalies d’origine peu profonde,dues aux discontinuités pétrographiqueset aux failles dans la couverture sédimen-taire et la partie supérieure du socle. Lesmêmes opérations effectuées sur la cartedes anomalies après soustraction de l’effetgravimétrique de la couverture sédimen-taire nous renseignent en revanche exclu-sivement sur les variations de densité liéesà la nature pétrographique du socle paléo-zoïque et sur les accidents qui l’affectent.Toutes les cartes transformées ont été cal-culées après correction d’une régionaled’ordre 2 avec le logiciel TRAMAP, misau point au Laboratoire de GéophysiqueAppliquée de Paris VI. Cette régionale aessentiellement pour origine les variationstopographiques du Moho qui, dans notrezone, se traduisent par un approfondisse-ment vers le Sud, sous le Jura (Edel et al.,1975 ; Rousset et al., 1993).

Sur la carte des anomalies (fig. 4), onconstate que le bassin potassique et, dansune moindre mesure le bassin deDannemarie, se caractérisent par des ano-malies négatives dues au contraste dedensité entre les sédiments tertiaires etquaternaires d’une part et les sédimentsmésozoïques et le socle d’autre part. Afinde mettre en évidence les variations dedensité dans le socle, et de les interpréteren termes de nature pétrographique et de

géologie structurale, il a fallu retrancherl’effet gravimétrique de la couverture auxanomalies de Bouguer. Cet effet estimportant puisque l’épaisseur de la cou-verture mésozoïque, tertiaire et quater-naire varie de 0 à plus de 3 000 m dans lazone en question. Des cartes d’isohypsessous forme numérique des couverturestertiaire et secondaire sont donc néces-saires. Ce travail a été réalisé par Lutz(1999) à partir des cartes d’isobathespubliées dans la Synthèse Géothermiquedu Fossé Rhénan (CEC, 1979), des logsde sondages pétroliers et de sondages desMDPA dans le bassin potassique.L’auteur a tracé une carte de la base desterrains du Tertiaire (fig. 5a) et une cartedu toit du Buntsandstein et a calculé lesisohypses. Une correction rigoureuse del’effet des sédiments est cependantrendue délicate par la distribution trèsvariable des niveaux salifères car lesépaisseurs et les proportions en halite(d = 2.2) et en anhydrite (d = 2.9) diffè-rent fortement d’une zone à l’autre. Deplus, le bassin potassique est caractérisépar la présence de structures diapiriquessalifères en dômes et en dykes, qui d’uneprofondeur de 1 500 à 2 000 m remontentjusqu’à 300 voire moins de 100 m sous lasurface. La structure dite “Crête deMeyenheim” est un dyke salifère orientéN15° de plus de 15 km de long dont lapartie méridionale se subdivise à lahauteur d’Ensisheim en deux branchesorientée NNW-SSE (fig. 5).

Pour la correction de l’effet des sédi-ments plusieurs modèles ont été testés àl’aide du logiciel GMI-Pack (BRGM-Total, Lutz, 1999). La plage de variationdes modèles est contrainte par les logs enforages (Lutz, 1999). 1) En adoptant pourle Tertiaire une loi de densité exponentielleet des densités constantes (2,55 à 2,6) pourle Secondaire, le calcul fait apparaître unecompensation trop forte dans les bassins etde forts gradients en bordure des Vosges etde la Forêt Noire ; 2) Avec une densité de2,4 pour le salifère, de 2,45 pour le restedu Tertiaire, et de 2,55 à 2,6 pour leSecondaire, le principal défaut du modèleest l’apparition de gradients aux limites dusalifère ; 3) C’est avec des densitésconstantes de 2,5 pour l’ensemble duTertiaire (hormis les dômes salifères) et de2,6 pour Secondaire que la compensationest la plus satisfaisante (fig. 5b). En ce quiconcerne les diapirs salifères, la crête deMeyenheim se traduit par une anomalie

négative 2D orientée NNE qui au Sudd’Ensisheim se subdivise en deuxbranches orientées NNW-SSE (fig. 3, 4),la plus occidentale s’arrêtant à la hauteurde Mulhouse. Pour effectuer la correction,les diapirs ont été modélisés par desparallélépipèdes (fig. 5a). Cette modélisa-tion montre que les structures diapiriquesde Meyenheim et de Mulhouse ainsi queson extension sud-ouest ne sont pas verti-cales mais présentent un pendage versl’est, ce qui laisse supposer une mise enplace dans des failles normales. Le logicielde modélisation 3D disponible à l’EOSTutilisant des parallélépipèdes, un diapirpenté est modélisé par deux parallélé-pipèdes superposés et décalés horizontale-ment (fig. 5a, voir légende). Les contrastesde densité entre l’encaissant et le selvarient entre – 0,050 et –1,25.

La carte obtenue après correction del’effet des sédiments et correction d’unerégionale du second ordre (fig. 6) diffèresensiblement de la carte de départ (fig. 4).On notera l’apparition d’une anomaliepositive au niveau du bassin deDannemarie, la persistance d’une anoma-lie négative dans le bassin potassique etau Sud de Mulhouse sur le horst. Leseffets sur les bordures de la carte dépen-dent fortement de la régionale adoptée.

InterprétationLa démarche consiste à examiner

d’abord les cartes corrigées de l’effet dessédiments, qui nous renseignent sur lanature du socle et sur les accidentsprofonds, puis les cartes transformées dela carte des anomalies de Bouguer, afinde mettre en évidence les tectoniquesliées à la formation du fossé ainsi que latectonique post-Miocène.

Le socle : nature et structure

Les études antérieures basées sur l’in-terprétation des cartes gravimétriques (etmagnétiques) et des mesures de densité (etd’aimantation) dans les Vosges et en ForêtNoire ont montré que les anomalies néga-tives sont à associer essentiellement à desgranites acides (2,52 < d < 2,68). Les ano-malies intermédiaires correspondent à desformations de densité voisine de la densitémoyenne de la croûte, comprenant les gra-nitoïdes riches en ferromagnésiens commeles granodiorites ou les monzonites, lessédiments viséens et les gneiss. Les ano-



Fig. 5.- a) Carte des isobathes du Tertiaire et des diapirs salifères modélisés par des prismes. b) Carte de l’effet gravimétrique cumulé des sédiments tertiaireset secondaires, et des diapirs salifères (Lutz, 1999).

Fig. 5.- a) Tertiary isobath map showing the location of the salt diapirs modelled by parallelepipeds. b) Cumulated gravimetric effect of the Tertiary andMesozoic sediments and of the salt diapirs (Lutz, 1999).

940 945 950 955 960 965 970 975 980 985 990 995 10002285

2290

2295

2300

2305

2310

2315

2320

2325

2330

2335

0

500

1000

1500

2000

Carte des isobathes de la base du tertiaire

clocher

forageprofond

mètres

940 945 950 955 960 965 970 975 980 985 990 995 10002285

2290

2295

2300

2305

2310

2315

2320

2325

2330

2335mgal

Effet gravimétrique des sédiments (Tertiaire de contraste de densité -0,17; dykes; Secondaire: -0,07)

-19

-18

-17

-16

-15

-14

-13

-12

-11

-10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

diapir salifères:

partie supérieure

partie inférieure

Altkirch

Sierentz

Dannemarie

Masevaux

Thann

BlodelsheimGuebwiller.

Ensisheim

Chalampé

Mulhouse.

Delle Ferrette

Basel

Lörrach

Müllheim

Leymen

Illfurth

Knoeringue

Soultz

a)

b)

Altkirch

Sierentz

Dannemarie

Masevaux

Thann

Blodelsheim

Ensisheim

Chalampé

Mulhouse.

Delle Ferrette

Basel

Lörrach

Müllheim

Leymen

Illfurth

Knoeringue

Soultz



malies positives trouvent leur origine dansles terrains volcano-sédimentaires dévono-dinantiens, les volcanites basiques et lesmétasédiments du Paléozoïque inférieur(2,765 < d < 2,95) (Edel, 1982 ; Edel etFluck, 1989). Les limites horizontales desformations sont nettement mieux définiessur les cartes transformées, entre autres surla carte du gradient vertical (fig. 7), où ellesse manifestent par de forts gradients hori-zontaux. Ces limites sont souvent recti-lignes. Elles correspondent alors à descontacts normaux. Au vu des études anté-rieures et des cartes transformées, une cartehypogéologique sommaire du socle a puêtre tracée. Elle inclut les structuresmagnétiques déduites du traitement (réduc-tion au pôle et dérivation) de la carte des

anomalies du champ magnétique au solétablie par Spreux (1971) (fig. 8).

Après suppression de l’effet de lacouverture sédimentaire, on constate lapersistance d’une anomalie négative dansle bassin potassique (au nord deMulhouse, fig. 6) et d’une autre au niveaudu horst de Mulhouse (au sud-est deMulhouse, fig. 6). Cette dernière estentourée par des anomalies positives sousla forme d’une étroite bande orientée N60°passant par Mulhouse et d’une bande pluslarge apparemment orientée E-W passantpar Altkirch. Les deux bandes serejoignent dans le bassin de Dannemarieoù elles forment une anomalierelativement large.

Contrairement à la zone saxothurin-gienne qui se distingue par des anomaliesde Bouguer positives souvent élevéesdues à de fortes épaisseurs de formationsprotérozoïques, la zone moldanubiennese caractérise par des anomalies intermé-diaires et négatives qui ont respective-ment pour origine des formationsmétamorphiques et/ou sédimentairespaléozoïques, ainsi que des granites.Dans le sud des Vosges et la zone deBadenweiler-Lenzkirch (ZBL, fig 2), levolcano-sédimentaire dévono-dinantienet les intrusions magmatiques basiquesassociées sont responsables des anoma-lies positives à intermédiaires. Les ano-malies positives à intermédiaires du fossésont donc interprétées comme étant majo-

forage profond clocherlimites dulevé MDPA

Fossé Rhénan méridional

Anomalies de Bouguer corrigées de l'effet des sédiments

940 945 950 955 960 965 970 975 980 985 990 995 1000 km2285

2290

2295

2300

2305

2310

2315

2320

2325

2330

2335

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

mgal

Altkirch

Sierentz

Dannemarie

Masevaux

Thann

Bl.G.

Ensisheim

Chalampé

Mulhouse.

Delle Ferrette

Basel

Lörrach

Müllheim

Leymen

Illfurth

Knoeringue

Soultz

BP

BD

HM

Fig. 6.- Carte des anomalies de Bouguer après suppression de l’effet des sédiments.

Fig. 6.- Bouguer anomaly map after correction for the effect of sediments.



ritairement dues à ce type de formations.La branche d’orientation N60° qui passepar Mulhouse est d’ailleurs prolongée parla ZBL. Un batholite granitique, égale-ment orienté N60° longe la bande au sudet la sépare d’une branche méridionalegrossièrement orientée E-W qui se pour-suit sous le bassin de Schöpfheim. Desformations dévono-dinantiennes affleu-rent au contact avec le granite.

La présence de sédiments permiens,reconnus dans le sondage de Knoeringue,peut être source d’indétermination quant à

la nature du socle anté-permien. À 2 km deprofondeur les densités des grès permienssont généralement de 2,65 à 2,7, voisinesde celles des sédiments dinantiens et desgneiss. Ainsi, autour du sondage deKnoeringue où l’anomalie de Bouguer estintermédiaire, a-t-on été amené à cartogra-phier le socle en formations indifféren-ciées et en sédiments permiens et/oucarbonifères. La présence de granite danstoute la partie méridionale suggère quesous ces sédiments le granite est égale-ment présent, ce qui est confirmé par lesondage.

Les cartes transformées montrent quela branche sud de direction apparente E-West en fait formée de segments structurésN110° à N135°, décalés en échelon par desaccidents N25-35°. Les mêmes observa-tions peuvent être faites dans les Vosgesméridionales où les formations volcano-sédimentaires généralement orientéesWNW-ESE sont recoupées par des faillesNE-SW, les plus importantes étant lesfailles de l’Ognon et du Hunsruck-Kohlschlag (FO, FHK, fig. 9). Cette der-nière est une faille en décrochementsénestre qui décale horizontalement les

940 945 950 955 960 965 970 975 980 985 990 995 10002285

2290

2295

2300

2305

2310

2315

2320

2325

2330

2335

Gradient vertical des anomalies de Bouguer après correction de l'effet des sédiments

Altkirch

Sierentz

Dannemarie

Masevaux

Thann

BlodelsheimGuebwiller.

Ensisheim

Chalampé

Mulhouse.

Delle Ferrette

Basel

Lörrach

Müllheim

Leymen

Illfurth

Knoeringue

Soultz

Fig. 7.- Carte du gradient vertical des anomalies corrigées de l’effet des sédiments, après filtrage passe-bas à 2 km. Cette carte reflète les variations latéralesde densité dans le socle. Les anomalies négatives en rose sont à corréler essentiellement avec des granites, les anomalies positives en vert représentent levolcano-sédimentaire. Les discontinuités gravimétriques représentent des failles ou des contacts entre unités pétrographiques de densités différentes.

Fig. 7.- Vertical gradient of the anomalies corrected for the effect of sediments and after low-pass filtering at 2 km. The map reveals lateral density variationswithin the basement. The negative anomalies in pink are mainly correlated with granite, whereas the positive anomalies in green are assigned to Viseanvolcano-sedimentary units. The gravimetric discontinuities represent faults and/or contacts between units with contrasting densities.



rhyodacites de 5 km. Elle fait partie d’unesérie de failles cisaillantes sénestres, N25-35°, que les cartes gravimétriques trans-formées permettent de suivre sur près de200 km vers le nord, jusqu’à l’Odenwald(Edel et Fluck, 1989 ; Rousset et al., 1993).Le rejet cumulé au niveau de l’accidentN70° de Lalaye –Lubine - Baden Baden estde 40 km environ (fig. 1). Les failles N25-35° du fossé méridional appartiennent à cesystème décrochant sénestre. Parmi lesplus importantes sont les failles de Soultz,d’Ensisheim, et le système de faillesChalampé-Sierentz-Knoeringue de Sierentz(FS, FE, FSi, fig. 9). Le granite orientéN60° du horst de Mulhouse semble s’êtremis en place dans un contexte de transten-sion à l’origine des décrochementssénestres et de fentes d’ouverture N60°. Lecontexte et la chronologie correspondraientalors à la phase magmatique datée à 335-330 Ma dans les Vosges centrales et sep-tentrionales (Boutin et al., 1995 ;Schulmann et al., sous presse).

2205

2210

2215

2220

2225

2230

2235

2240

955 960 965 970 975 980 985 990

50

0

100

-50

-100

nTAnomalies du champ magnétique total

(d'après Spreux, 1971)

Mulhouse

FHK

FE

FS

o

FO

FS

i

2290

2300

2310

2320

2330

940 950 960 970 980 990 1000

47˚30'

940 950 960 970 980 990 1000

7˚30'7˚00' Lambert II gén (km)

Altkirch

Sierentz

Dannemarie

Masevaux

Thann

Blodelsheim

Guebwiller.

Ensisheim

Chalampé

Mulhouse.

Delle

Ferrette

Basel

Lörrach

Müllheim

Leymen

Knoeringue

Soultz

Carte hypogéologique

du socle anté-Permien

r. de densités faibles(2.55-2.65):

granites

r. de densités intermédiaires(2.65-2.70):

gneiss

indifférentié: (granodiorites,gneiss, Dinantien, Permien)

r. de densités intermédiaires à moyennement élevées(2.65-2.85):

Dévono-Dinantienvolcano-sédimentaire

r. magnétiques:

gabbros, diorites, granodioritesbasaltes, andésites

failles et discontinuités pétrographiques

front du Jura

ZBL

Fig. 8.- Carte des anomalies du champ magnétique total au sol d’après Spreux (1971). La faible densitédes stations (points) ne permet pas une interprétation aussi détaillée que pour la carte gravimétrique.

Fig. 8.- Total magnetic field anomalies at ground level (after Spreux [1971]). The low density of themeasuring stations (points) results in a less detailed interpretation than for the gravimetric map.

Fig. 9.- Carte hypogéologique sommaire du soclepaléozoïque. Failles de l’Ognon (FO), duHunsruck-Kohlschlag (FHK), de Soultz (FSo),d’Ensisheim (FE), de Sierentz (FSi). Zone deBadenweiler-Lenzkirch (ZBL).

Fig. 9.- Hypo-geological sketch map of thePaleozoic basement. Ognon Fault (FO),Hunsruck-Kohlschlag Fault (FHK), Soultz Fault(FSo), Ensisheim Fault (FE) and Sierentz Fault(FSi). Badenweiler-Lenzkirch zone (ZBL).



Compte tenu de la faible densité desstations de mesures magnétiques (Spreux,1975) (fig. 8), la géométrie des structuresmagnétiques est nettement moins biendéfinie que celle des structures gravimé-triques. Les fortes aimantations sont géné-ralement associées à des densitésintermédiaires ou faibles, attribuables dansle premier cas à des formations volca-niques viséennes et dans le second à desgabbros, diorites et granodiorites de mêmeâge. Ces deux types de formations magné-tiques abondent dans les Vosges méridio-nales (Edel et Lossy, 1974) où ellescorrespondent à un magmatisme tholéi-

tique d’âge viséen inférieur, ainsi qu’à unmagmatisme calco-alcalin à shoshonitiqued’âge viséen supérieur (Bébien et Gagny,1978 ; Coulon et al., 1974). Les plusimportantes de ces formations magma-tiques longent la bande de socle volcano-sédimentaire dévono-dinantien N60°passant par Mulhouse (fig. 9).

Tectonique de graben oligocèneet tectonique post-miocène

Le filtrage passe-haut appliqué à lacarte détaillée des anomalies de Bouguer(fig. 3) fait apparaître les anomalies rési-

duelles dues essentiellement aux varia-tions de densité dans la couverture et lapartie supérieure du socle (fig. 10). Surcette carte, un fort gradient horizontal cor-respond à une discontinuité latérale desdensités, à une faille ou à un contact entredeux unités pétrographiques différentes.Les discontinuités gravimétriques de lafigure 10 ont été tracées à partir de la cartedes résidus et des cartes de dérivées pre-mière et seconde. Les mieux définies, cor-respondant généralement à des failles, sontreprésentées par des traits continus et lesaccidents moins marqués ou discontinus,par des traits discontinus.

Fig. 10.- Carte gravimétrique résiduelle après filtrage passe-haut à 4 km. Les discontinuités gravimétriques ont été tracées à partir de cette carte et des cartesdes dérivées verticales du 1er et du 2nd ordre. Rampes pléistocènes d’après Nivière et Winter (2000).

Fig. 10.- Residual gravimetric map after high-pass filtering at 4 km. The gravimetric discontinuities were drawn using this map and those of the first- andsecond-order vertical derivatives. The Pleistocene ramps are after Nivière and Winter (2000).

0.00 0.30 0.60-0.60 -0.30 mgal

965 970 975 980 985 km

2290

2295

2300

2305

2310

2315

2320

2325

2330

Ferrette

Le

Altkirch

Anomalies résiduelles, filtrage passe-haut 4km

faille reconnue

rampe

discontinuités

gravimétrique

N

Sierentz

système de failles

post-miocène

système de failles

oligocène

Mulhouse

r. de Muespach

a) b)

c)



Excepté au niveau des rampes et plisWNW-ESE du horst de Mulhouse(Nivière et Winter, 2000), les disconti-nuités gravimétriques ne se manifestentpas en surface (fig. 11). Les accidents lesplus marquants apparaissent sur le flancouest du horst, près d’Altkirch, au nordde Ferrette, dans la région de Sierentz, aubord du Rhin dans la région de Kembs, etau nord de Mulhouse dans le bassinpotassique. Dans ce dernier, ils corres-pondent aux flancs des diapirs de sel quise manifestent par des anomalies néga-tives. Il est possible que les petites ano-malies négatives qu’on retrouve ausud-est de Mulhouse, légèrementdécalées vers le nord-est par rapport auxprécédentes et présentant les mêmesdirections, aient la même origine.

Les accidents les plus marqués corres-pondent aux plus courtes longueurs d’ondeet par conséquent aux structures les moinsprofondes. Elles présentent le plus souventune direction N5-10°, et par ordre décrois-sant les directions N145-150°, 55-60° etN95-100°. On retrouve ces mêmes direc-tions dans les mécanismes au foyer desséismes qui ont affecté le sud du fossé aucours des trois dernières décennies. Lesdirections N5-10° et N100°, correspondentà des mécanismes de failles en décroche-ment respectivement sénestre et dextre, ladirection N145° à des failles normales, et ladirection N55-60° aux failles inverses (fig.10b) (Bonjer et al., 1984 ; Delouis, 1993 ;Bonjer, 1997). Les fortes anomalies rési-duelles semblent donc traduire une tecto-nique relativement récente ou du moinspost-miocène inférieur, puisque la com-pression NW-SE serait en vigueur depuisle Miocène terminal. Les anomalies situéesprès d’Altkirch, au nord de Ferrette et dansla région de Sierentz-Kembs suggèrentdonc la présence d’accidents tectoniquesrelativement récents. Un de ces accidents,orienté N5-10°, qui aboutit sur l’extrémitéouest de la rampe de Muespach (Nivière etWinter, 2000), correspondrait donc à unefaille cisaillante sénestre (fig. 10, 11). Lependage vers le nord-est du diapir salifèreN155° se dirigeant vers Mulhouse (fig. 5a)suggère que le sel s’est mis en place dansune faille normale. Dans ce cas le phé-nomène de diapirisme en direction du sud-est serait soit récent, soit le résultat d’uneréactivation.

Une deuxième famille de disconti-nuités gravimétriques associées à des

anomalies de longueur d’onde légère-ment supérieures aux précédentes, dedirections N15-20° et N60-65°, accessoi-rement N110°, apparaît au niveau desflancs nord et ouest du horst de Mulhouse(fig. 10). Elles sont un peu moins bienmarquées que les précédentes. Prèsd’Altkirch, elles sont recoupées et partiel-lement masquées par les fortes anomaliesrésiduelles de direction méridienne etd’origine récente. Dans la zone étudiée,une partie des discontinuités N15-20°coïncide avec les failles majeures qui,sur les coupes sismiques, séparent lebassin de Dannemarie du horst deMulhouse (fig. 10). On retrouve cettedirection N15-20° plus au nord où ellecorrespond à la direction principale dufossé (fig. 1, 11). Elle résulte de la disten-sion WNW-ESE qui, à l’Oligocène,caractérise la phase paroxysmale de for-mation du graben rhénan (Bergerat,

1985) (fig. 10c). On peut constater sur lesfigures 10b et 10c que les accidents oli-gocènes ont pu rejouer pendant la périodepost-miocène, mais compte tenu du chan-gement de régime de contraintes, pas dela même façon. Ainsi, des accidentsbordant le horst de Mulhouse dans larégion d’Altkirch, ont rejoué en cisaille-ment sénestre (Nivière et Winter, 2000).

L’héritage varisque

Les accidents N15-20° déduits desanomalies de courtes longueurs d’ondesont à distinguer des accidents varisquesN25-35° apparaissant surtout sur les cartesfiltrées. Au niveau du flanc ouest du horstde Mulhouse les deux types de failles sesuperposent partiellement. Certainesdiscontinuités varisques N25-35° semanifestent sur le modèle numérique deterrain par des dénivelés linéaires (fig. 12),

zone

décro

chan

te sé

nestr

e car

bonif

ère

Ste M

arie-

aux-M

ines F

.

Eocène supérieur Oligocène supérieur

Basel

Strasbourg

Mainz

Basel

Strasbourg

Mainz

500100

Fig. 11.- L’héritage varisque dans la sédimentation rhénane. Epaisseurs des sédiments d’après Doebl(1970), accidents majeurs déduits de la gravimétrie d’après Edel et Fluck (1989) et Rousset et al. (1994),et directions des contraintes principales d’après Bergerat (1985)

Fig. 11.- Variscan inheritance within the Rhine Graben sediments. Sediment thickness after Doebl(1970), major gravimetric discontinuities after Edel and Fluck (1989) and Rousset et al. (1994), andprincipal stress directions after Bergerat (1985)



témoignant ainsi d’une réactivationprobable en faille normale pendant la phasede rifting éocène-oligocène. C’est le casdes accidents qui marquent les bordures estet ouest du fossé, dans la partie supérieurede la carte, respectivement près de Soultzet de Müllheim (fig. 11, 12). On noteraégalement que les terminaisons ouest desplis arqués de Delle, Ferrette et Leymenaboutissent sur des discontinuitésprincipales N25-35°.

Au nord de la zone d’étude, onconstate que les accidents décrochantsvarisques N25-35° mis en évidence lorsdes interprétations antérieures de donnéesgravimétriques (Edel et Fluck, 1989 ;Rousset et al., 1994) ont égalementfortement conditionné le rifting (fig. 11).C’est particulièrement le cas à l’Eocènesupérieur dans le fossé de Rastatt où lasédimentation est contrôlée par lesaccidents majeurs N30-35°. La directionNNE-SSW de la compression éocène a

favorisé le jeu de ces accidents en faillesnormales O et décrochantes sénestres.C’est encore le cas pour la directionWNW-ESE à W-E de la distensionoligocène (Bergerat, 1985), qui semblecependant avoir privilégié les accidentsN15-20°.

Possible application à la tectoniqueactive des cartes gravimétriques

transformées

Les anomalies de courtes longueursd’onde, obtenues après filtrage passe-hautou dérivation verticale, sont liées à unetectonique affectant la couverture sédi-mentaire et la partie supérieure du socle,répondant à un régime de contraintespost-miocène. Les accidents N5-10° lesplus marquants, susceptibles de jouer endécrochement, apparaissent prèsd’Altkirch, au nord de Ferrette et au borddu Rhin, dans la région de Kembs

(fig. 10). On a vu plus haut que la rampede Muespach se termine sur un accidentN5-10° en cisaillement sénestre. Lesrampes d’Illfurth et de Mulhouse seraientassociées aux accidents oligocènes N15-20° susceptibles d’avoir rejoué en décro-chement au Pléistocène ainsi que lesaccidents décrochants N5-10° égalementpléistocènes de la région d’Altkirch. Cesrampes E-W à SW-NE sont interprétéespar Nivière et Winter (2000) commerésultant d’un décollement de la couver-ture au niveau des évaporites du Triassupérieur et de la propagation de plis duJura vers le nord. Des accidents N130-150° qui répondraient plutôt à un jeu enfaille normale sont présents dans lesrégions de Ferrette et de Sierentz. Quantaux discontinuités N60-70° qui pourraientêtre ou devenir des failles inverses, on lestrouve dans les régions de Mulhouse et deSierentz. La rampe de Mulhouse (Nivièreet Winter, 2000) en est une illustration.

Fig. 12.- Modèle numérique de terrain et discontinuités gravimétriques varisques (en blanc, d’après la fig. 7) et rhénanes (en bleu, d’après la fig. 10).

Fig. 12.- Digital elevation model, and Variscan (in white, from Fig. 7) and Rhenish (in blue, from Fig. 10) gravimetric discontinuities.

Les mécanismes au foyer du séismede Sierentz en 1980 et de ses répliques(Rouland et al., 1980 ; Bonjer, 1997) per-mettent de vérifier si des discontinuitésgravimétriques peuvent être assimilées àdes failles actives. Le séisme précurseuret le séisme principal traduisent un jeu encisaillement pur, sénestre, suivant unedirection N30-35°, alors que les répliquesmontrent des mécanismes plus compo-sites sans doute associées au réajustementde failles annexes (fig. 12). La directionN30-35° n’apparaît pas sur la carte desanomalies de courte longueur d’onde,d’origine superficielle. En revanche, onpeut constater que l’épicentre est situé à11-12 km de profondeur, sur un accidentde socle majeur, qui a déjà fonctionné endécrochement sénestre au Carbonifère etqui, plus au nord sur le MNT, se mani-feste sous la forme d’escarpement (fig. 9,10, 11). Les répliques seraient à associeraux discontinuités plus récentes. Si unmouvement cisaillant suivant une direc-tion méridienne semble dominant, desmécanismes en faille inverse NNE-SSW(exemple : la réplique du 16 juillet) et enfaille normale NW-SE (exemple : laréplique du 15 juillet) ont également eulieu. On notera une distribution des épi-centres suivant une direction préféren-tielle N60° qui suggère également un jeuen faille inverse. La présence de disconti-nuités gravimétriques orientées N55-60°au voisinage immédiat de la zone épicen-trale serait donc à mettre en relation avecune activité récente. En revanche, il n’y apas de discontinuités NW-SE. Une partiedes répliques pourrait donc avoir initié unnouvel accident.

ConclusionsLes documents obtenus à partir de la

carte gravimétrique, dépouillée de l’effetde la couverture sédimentaire, ont permisde délimiter les structures du socle etd’en déterminer la nature (fig. 9). Sous lebassin potassique le socle est granitique.La structuration N110-135° du bassinvolcano-sédimentaire des Vosges méri-dionales se poursuit dans le sud du fosséet sous le bassin de Schopfheim au sud dela Forêt-Noire. Une étroite bande de for-mations dévono-dinantiennes large de 1 à2 km et orientée N60° rejoint l’extrémitéouest de la zone de Badenweiler-Lenzkirch. Elle est bordée au nord pardes granitoïdes magnétiques, compa-rables aux formations plutoniques (mon-

zonites et/ou syéno-diorites, diorites,gabbros) du massif des Ballons. Au sud,centré sur le horst de Mulhouse, on dis-tingue un massif granitique, égalementorienté N60°, qui est relayé à l’est par lesgranites de la Forêt Noire méridionale.Des structures magnétiques, probable-ment, des volcanites viséennes et les plu-tonites associées sont présentes dans labranche sud de terrains dévono-dinantiensqui se poursuit sous le bassin deSchopfheim. Plus au sud, le socle sembleessentiellement constitué de granites. Legranite du sondage de Knoeringue en estun exemple.

Les structures du socle sontrecoupées, et en partie décalées horizon-talement, par des accidents N25-35°parallèles aux failles décrochantessénestres de Sainte-Marie-aux-Mines etdu Hunsrück-Kohlschlag. Les plus

importants de ces accidents, situés àl’ouest du horst de Mulhouse, se poursui-vent sur plus de 200 km vers le nord,jusqu’à l’Odenwald (Edel et Fluck,1989 ; Rousset et al., 1994). Les mouve-ments auraient eu lieu au Viséen supé-rieur et le rejet horizontal cumulé est de40 km environ.

En raison de directions de contraintesfavorables (compression NNE-SSW, puisdistension W-E), ces accidents ont rejouéen failles normales à l’Eocène-Oligocèneet ont fortement conditionné lasédimentation pendant le rifting.

Les cartes transformées de l’anomaliede Bouguer obtenues à partir du levéhaute densité, mettent en évidence lesaccidents liés à la tectonique et à lasédimentation du Fossé rhénan ainsi qu’àla mise en place des dômes de sel. Outre



Sierentz

15 juilletM= 2.0Z= 12 km

précurseur

15 juilletM= 4.8Z= 11.6 km

séisme principal

15 juilletM= 3.5Z= 13 km



répliques

Rhin

faille

discontinuité rhénane

discontinuitévarisque

réplique(M=4)

Fig. 13.- Epicentres et mécanismes au foyer du séisme de Sierentz (1980) d’après Rouland et al. (1980)et discontinuités gravimétriques.

Fig. 13.- Epicentres and focal mechanisms of the Sierentz earthquake (1980), after Rouland et al. (1980)and gravimetric discontinuities.



RéférencesArchambault M.F. (1984). – Evolution cinématique post-Eocène de l’Atlantique nord et central. Implications sur le fonctionnement des Açores et l’évolutiondu domaine méditerranéen occidental. Thèse doct. 3e cycle, Brest, 200 p.

André F., Bébien J. (1983) – Déchirures continentales et plutonisme : étude pétrologique et structurale comparée de l’association de Guevgueli (Macédoinegrecque) et des formations plutoniques basiques situées en bordure nord du massif des Ballons (Vosges, France). Bull. Soc. géol. Fr., (7), XXV, 3, 291-299.

Bébien J., Gagny C. (1978) – Le plutonisme viséen des Vosges méridionales : un nouvel exemple de combinaison magmatique entre roches tholéiithiques etcalco-alcalines. C.R. Acad. Sci., Paris, 286, II, 149-159.

Bergerat F. (1985) – Déformations cassantes et champs de contrainte tertiaires dans la plate-forme européenne. Thèse de Doctorat es-Sciences, Univ. Paris VI,315 p.

Bonjer K.P. (1997) – Seismicity pattern and style of seismic faulting at the eastern border fault of the southern Rhine Graben. Tectonophysics, 275, 41-69.

Bonjer K.P., Gelbke C., Rouland D., Mayer-Rosa D., Massinon B. (1984) – Seismicity and dynamics of the Upper Rhinegraben. J. Geophys., 55, 1-12.

Boutin R., Montigny R., Thuizat R., (1995) - Chronologie K-Ar et 39Ar-40Ar du métamorphisme et du magmatisme des Vosges. Comparaison avec les massifsvarisques avoisinants. Géologie de la France, 1, 3-25.

Commission of the European Community (1979) – Synthèse géothermique du Fossé rhénan supérieur. BRGM, Serv. Géol. Rég. Alsace, et GLA, GeologischesLandesamt Baden-Württemberg, 51 p.

Corpel J., Debeglia N. (1994) – Synthèse région de Soultz – Interprétation gravimétrique. Rapport BRGM R38027, 19 p.

Coulon M., Fourquin C., Paicheler J.C. (1979) - Contribution du tectogène varisque dans les Vosges méridionales. III. Le Culm entre Bourbach-le-Haut et leMolkenrain. Sci. Géol. Bull., 32/3, 117-129.

Delouis B., Haessler H., Cisternas A., Rivera L. (1993) – Stress tensor determination in France and neighbouring regions. Tectonophysics, 221, 413-437.

Doebl F. (1970) – Die tertiären und quartären Sedimente des südlichen Rheingrabens. In Illies, J.H., Mueller, St. (Eds), Graben Problems, E. Schweizerbart’scheVerlagsbuchh. Stuttgart, 56-66.

Edel J.B. (1982) – Le socle varisque de l’Europe moyenne – Apports du magnétisme et de la gravimétrie. Sci. Géol., Bull., 35 (4), 207-224.

Edel J.B. (1988). – The Aquitanian event in the western Mediterranean area. EGS XIII: Paleomagnetism and evolution of the Tethys, Ann. Geophys. Spec. Issue1988, p. 89.

Edel J.B., Lossy D. (1974) – Magnétisme et géologie dans les Vosges méridionales. Sci. Géol., Bull., 28 (2), 149-159.

Edel J.B., Fluck P. (1989) - The upper Rhenish Shield basement (Vosges, Upper Rhinegraben, Schwarzwald) main structural features deduced from magnetic,gravimetric, and geological data. Tectonophysics, 169, 303-316.

Edel J.B., Weber K. (1995) - The Cadomian terranes, wrench-faulting and thrusting in the Central Europe Variscides - geophysical and geological evidence.Geol. Rundsch., 84, 412-432.

Edel J.B., Fuchs K., Gelbke C., Prodehl C. (1975) – Deep structure of the southern Rhinegraben area, from seismic refraction. J. Geophys., 41, 333-356.

Edel J.B., Dubois D., Marchant R., Hernandez J., Cosca M. (2001) - La rotation miocène inférieur du bloc corso-sarde. Nouvelles contraintes paléomagnétiquessur la fin du mouvement. Bull. Soc. géol. Fr., 172, 275-283.

Fluck P., Edel J.B., Montigny R., Piqué A., Schneider J.L., Whitechurch H. (1989) - Carte synthétique et géotraverse N-S de la chaîne varisque des Vosges(France). C.R. Acad Sci. Paris, 309/II, p. 907-912.

Fluck P., Piqué A., Schneider J.L., Whitechurch H. (1991) – Le socle vosgien. Sci. Géol., Bull., Strasbourg, 44, 3-4, p. 207-235.

Kern G. (1971) – Le prolongement du champ de pesanteur vers le bas – Application au Fossé Rhénan méridional. Dipl. Ing. Géophys., Strasbourg I., 61 p.

Lutz H. (1999) – Cartographie, traitement et interprétation des données gravimétriques du Fossé Rhénan méridional (projet GéoFrance3D). Dipl. Ing. Géophys.Strasbourg I, 66 p.

les accidents oligocènes qui limitent lehorst de Mulhouse au nord et à l’ouest, onvoit surtout apparaître des accidents N5-10°, N100°, N150° et N60-70°, associés àdes anomalies de courtes longueursd’onde, et qui répondent au régimetectonique en vigueur depuis le Miocèneterminal. Certains de ces accidents ontvraisemblablement affecté la couverturesédimentaire au Pléistocène. Une partied’entre eux est susceptible d’être active,

en particulier dans les régions d’Altkirch-Mulhouse, de Ferrette et de Sierentz.

Ce travail montre qu’un levé gra-vimétrique détaillé permet de localiserdes accidents dans la couverture et dansle socle, de distinguer les phases tecto-niques et de mettre en évidence les faillessusceptibles de répondre au régime actueldes contraintes. Il permet par conséquent,de contribuer à l’identification des zonesà risque sismique.

Remerciements

Nos remerciements vont à N. Florschqui nous a fourni les dernières versions dulogiciel TRAMAP. Nous remercions égale-ment R. Montigny pour sa lecture critiquedu manuscrit ainsi que les rapporteurs pourleurs remarques constructives. Ce travailest le fruit de la collaboration entre l’Ecoleet Observatoire des Sciences de la Terre et leprogramme BRGM-CNRS GéoFrance3D,qui a financé le stage de H. Lutz.



Nivière B., Winter T. (2000) - Pleistocene northwards fold propagation of the Jura within the southern Rhine Graben : seismo-tectonic study. Global and Planet.Change, 27, 263-288.

Papillon E. (1995) – Traitement et interprétations des cartes d’anomalies magnétiques et gravimétriques du Fossé rhénan supérieur. Dipl. Ing. Géophys.Strasbourg I, 95 p.

Oncken O. (1997) – Transformation of a magmatic arc and an orogenic root during oblique collision and its consequences for the evolution of the EuropeanVariscides (Mid-German Crystalline Rise). Geol. Rundschau, 86:2, 20.

Rousset D., Bayer R. (1990) - Nouvelles cartes gravimétriques du sud du Fossé Rhénan. C.R. Acad. Sci. Paris, 310, 199-206.

Rousset D. (1992) – Structure et isostasie du Fossé Rhénan (segment méridional) – Champ de pesanteur et sismique réflexion en longue écoute ECORS-DEKORP. Thèse, Univ. Montpellier II, 251 p.

Rousset D., Bayer R., Guillon D., Edel J.B. (1993) - Structure of the southern Rhine Graben from gravity and reflection seismic data (ECORS-DEKORPprogram). Tectonophysics, 221, 135-153.

Rouland D., Haessler H., Bonjer K.P., Gilg B., Mayer-Rosa D., Pavoni N. (1980) – The Sierentz southern-Rhinegraben earthquake of July 15, 1980. Preliminaryresults. Proc. of the 17th assembly of the ESC, Budapest, 441-446.

Schaltegger U., Schneider J.L., Maurin J.C., Corfu F. (1996) - Precise chronometry of 345-340 Ma old magmatism related to syn-convergence extension in theSouthern Vosges (central Variscan belt). Earth Planet. Sci. Let., 144, 403-419.

Schulmann K., Schaltegger U., Jezek J., Thompson A.B., Edel J.B. Rapid burial and exhumation during orogeny: thickening end synconvergent exhumation ofthermally weakened and thinned crust (Variscan orogeny in westen Europe). Amer. J., Sci., in press.

Schneider J-L. (1994) - Le bassin volcano-sédimentaire dévono-dinantien des Vosges du Sud : un témoin de l’évolution de la chaîne varisque de l’Europe.Bulletin de la Société d’Histoire Naturelle de Colmar, 62, 49-83.

Spreux A. (19751971) – Prospection magnétique en Alsace – Etude de la région du Haut-Rhin. Dipl. Ing. Géophys. Strasbourg I, 61 p.

Documents

Socle varisque et tectoniques rhénanes dans le Fossé