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Appui scientifique à la cartographie du régolithe (Grande-Terre de Nouvelle-Calédonie) Rapport intermédiaire, phase 1 ( ) BRGM/RP FR octobre 2008 Appui scientifique à la cartographie du régolithe (Grande-Terre de Nouvelle-Calédonie) Rapport intermédiaire, phase 1 ( ) BRGM/RP FR Octobre 2008 Étude réalisée dans le cadre des projets de Recherche du BRGM F. Quesnel, P. Maurizot, C. Ricordel-Prognon (BRGM), K. Lucien (DIMENC), J. Yans (FUNDP-Namur), J. Barbarand (Université Paris Sud) Vérificateur : Approbateur : Nom : Date : Nom : Date : Signature : Signature : En l absence de signature, notamment pour les rapports diffusés en version numérique, l original signé est disponible aux Archives du BRGM. Le système de management de la qualité du BRGM est certifié AFAQ ISO 9001:2000. I M AVRIL 05 Mots clés : Régolithe, Nouvelle-Calédonie, paléomagnétisme, fluvio-lacustre, cuirasse, péridotite, latérite En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante : F. Quesnel, P. Maurizot, K. Lucien, C. Ricordel-Prognon, J. Yans, J. Barbarand (2008) - Appui scientifique à la cartographie du régolithe (Grande Terre de Nouvelle-Calédonie) - Rapport intermédiaire, phase 1 ( ). BRGM/RP FR. BRGM, 2008, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l autorisation expresse du BRGM. Synthèse La cartographie du régolithe est une des grandes priorités du Service de la Géologie de Nouvelle-Calédonie (SGNC). La cartographie existante des ensembles altérés sur massifs de péridotites n'est en effet pas d'un niveau et d'un détail suffisant par rapport aux enjeux économiques (miniers principalement) du pays. La cartographie utile pour le milieu industriel s'apparente plus à une cartographie des matériaux (différents types de saprolites, latérites et cuirasses). Cependant la répartition des altérations obéis à des règles qui posent de nombreuses questions de niveau scientifique. Afin que cette cartographie du régolithe ne soit pas réduite à une simple cartographie de matériaux, il a été proposé de fournir au SGNC un appui scientifique et un transfert de connaissance sous la forme d'un programme de recherche rattaché au programme cadre régolithe métropolitain du BRGM. Dans ce programme de phase 1 plusieurs actions ont été engagées : 1) Etude bibliographique critique des données sur la morphogenèse de la Nouvelle-Calédonie et pistes scientifiques qui en découlent. 2) Campagne de terrain de six semaines et échantillonnage avec un spécialiste du BRGM pour visiter quelques coupes de références (Népoui, Goro, Koniambo, Thiébaghi, Gwa-Doro, ) en milieu péridotitique ou sur substrat volcanosédimentaire. 3) Lever détaillé et échantillonnage de la coupe de référence du fluvio-lacustre du Massif du Sud. 4) Etude préliminaire paléomagnétique des cuirasses prélevées, 5) Avancement de la cartographie du régolithe par les équipes du SGNC. 6) Actions de transfert de connaissance auprès des personnels du SGNC avec notamment un stage géologie 0 100m en compagnonnage d'un géologue junior du SGNC au centre scientifique et technique d'orléans. Au plan de la recherche le principal résultat de cette phase 1 est de montrer la possibilité prometteuse de datations indirectes par la méthode paléomagnétique. Il est donc proposé pour la phase 2 du programme régolithe une mission essentiellement axée sur l'échantillonnage et l'analyse paléomagnétique. BRGM/RP FR 3 Sommaire 1. Problématique et objectifs du projet PROBLEMATIQUE Enjeux de la cartographie du régolithe en Nouvelle-Calédonie Cadre scientifique de la cartographie du régolithe néo-calédonien OBJECTIFS DE L APPUI SCIENTIFIQUE A LA CARTOGRAPHIE DU REGOLITHE DE LA GRANDE TERRE DE NOUVELLE-CALEDONIE Morphogenèse de la Grande-Terre et pistes scientifiques Méthodes mises en œuvre au cours du projet ACCOMPAGNEMENT TECHNIQUE (CARTOGRAPHIE DE TERRAIN ET NUMERIQUE) Ampleur du travail cartographique à accomplir Approche géomorphologique, théorie des paléosurfaces Outils de cartographie numérique ACCOMPAGNEMENT SCIENTIFIQUE (CARACTERISATION ET DATATION DU REGOLITHE, GEODYNAMIQUE ET MORPHOGENESE) Les paramètres gouvernant la genèse et l évolution des profils d altération Datation des différents objets constituant le régolithe : les méthodes et leurs limites, précautions d utilisation, optimisation Morphogenèse et géodynamique, estimation des mouvements verticaux et de leur rôle sur le développement du Régolithe Description des méthodes et outils scientifiques utilisés Programme de la phase 1 ( ) OBJECTIFS ET ETAPES DE LA PHASE TRAVAUX REALISES AU COURS DE LA PHASE Aperçu géomorphologique et lecture critique de la bibliographie Mission de terrain de 2007 : visite de l ensemble de l île, lever rapide des coupes les plus représentatives du régolithe néocalédonien et prélèvements d échantillons tests Résultats des analyses préliminaires réalisées sur les échantillons tests prélevés au cours de la mission de Observations pétrographiques...53 BRGM/RP FR 5 Paramètres magnétiques Traitements thermiques Le paléomagnétisme : un outil de datation prometteur Avancement de la cartographie du régolithe néocalédonien au cours de la phase Point sur les actions de transferts de connaissance au cours de la phase Conclusions et recommandations pour la phase Bibliographie Liste des illustrations Figure 1 - Topographie et lithologie simplifiée de la Grande Terre de Nouvelle Calédonie. Les noms des massifs de péridotites sont indiqués par des flèches (d après Chevillotte, 2005, p 45) Figure 2 - Coupes géomorphologiques à travers la Grande-Terre montrant l'existence d'une surface intermédiaire puis d'une surface de piedmont sous les reliques de la pénéplaine davisienne (d'après Wirthmann, 1966) Figure 3 - Interprétation de la distribution altitudinale des anciennes surfaces d'aplanissement des massifs péridotitiques du nord de la Grande-Terre, projetées sur un profil longitudinal (d'après Latham, 1986, modifié) Figure 4 - Coupe schématique synthétisant la séquence morphoclimatique des reliques de paléosurfaces latéritiques sur la Grande Terre de Nouvelle-Calédonie (d après Chevillotte et al, 2006) Figure 5 - Coupes montrant la situation géomorphologique des principales occurrences de sédiments fluviaux post obduction (d après Chardon & Chevillotte, 2006). Les nombres font références aux différentes générations de surfaces d aplanissement latéritique. (a) zones de Tambounan/Népoui ; (b) zone de Kouaoua (les affleurements sont projetés ; (c) rivière de la Haute Tontouta ; (d) rivière de la Dumbea ; (e) extrémité sud du massif du Sud ; (f) la Capture. Les altitudes sont en mètres et les distances horizontales en kilomètres. L exagération verticale est de 10 sur (a) et (b) et 4 sur les coupes (c) à (e). le substrat géologique (majoritairement des péridotites) est en gris Figure 6 - Distribution verticale des sédiments post-obduction projetée sur un transect longitudinal de la Nouvelle-Calédonie (d après Chardon & Chevillotte, 2006) et correspondent aux principaux logs stratigraphiques. Les altitudes et épaisseurs sont en mètres Figure 7 - Modèle d évolution géomorphologique de la Nouvelle Calédonie issu de la synthèse des différentes données paléoenvironnementales (Chevillotte et al, 2006). Les lettres et les nombres font référence aux replats et paléosurfaces reliques décrits dans la thèse de Violaine Chevillotte (2005). Les boites grises correspondent aux épisodes d aplanissement. Les boites blanches et noires indiquent respectivement les incisions de rivières et leur remblaiement postérieurs. La courbe isotopique de 6 BRGM/RP FR l oxygène (obtenue sur foraminifères benthiques) est adaptée de Savin (1977). La courbe des paléodrainages continentaux et températures est adaptée de Tardy & Roquin (1998). La courbe eustatique est adaptée de Haq et al, Les périodes de climat plus sec dans les Pacifique du Sud Ouest sont adaptée de Chamley (1986) et fondées sur l étude des minéraux argileux les carottes ODP forées sur la Ride de Lord Howe Figure 9 - Coupe de la Napouérédjéiné - Colonne lithostratigraphique de l ensemble fluvio-lacustre du Sud, et position des échantillons prélevés (redessiner les bancs ferrugineux de l unité fine : le massif est au sommet et les cloisons et festons sont plus bas, vers le milieu; vérifier les épaisseurs respectives des différentes sous unités de l Unité stratifiée et les dessiner à l échelle, redessiner la cuirasse latéritique du sommet à l échelle (1 dizaine de mètres d épaisseur)...36 Figure 10 - Coupe de la Napouérédjéiné - Coupe schématique de l Unité conglomératique à la base de l ensemble fluvio-lacustre du Sud, et position des échantillons prélevés...37 Figure 11 - Evolution minéralogique des sédiments fluvio-lacustres de la coupe de la Napouérédjéiné, d après les données DRX sur roche totale, fraction argileuse et oxydes et les traitements paléomagnétiques sur les différents types de ferricrètes ; mise en évidence des remaniements et des néoformations par altération supergène postérieure au dépôt Figure 12 - Distribution des oxy-hydroxydes de fer dans les indurations ferrugineuses de Nouvelle-Calédonie : a) fond matriciel ferrugineux (NEP22), lumière polarisée ; b) nodule argilo-ferrugineux (NEP34), lumière polarisée ; c) et d) nodule avec cutanes d argile...54 Figure 13 - Distribution des oxy-hydroxydes de fer dans les indurations ferrugineuses de Nouvelle-Calédonie : a) et b) concrétions ferrugineuses autour d un pore (NAP19A), lumière polarisée et lumière analysée ; c) colmatage d un pore par de l hématite (h) (NEP34)...55 Figure 14 - Exemples d évolution de la susceptibilité magnétique (k) au cours de la désaimantation thermique. Pour la majorité des échantillons la susceptibilité reste stable ou diminue. Seul l échantillon NEP36 montre une nette augmentation de la susceptibilité...58 Figure 15 - Comportement thermomagnétique, projection orthogonale du vecteur aimantation au cours de la désaimantation thermique et projection à aires conservées du vecteur aimantation pour un échantillon de Goro (a-c), un échantillon de Népoui (d-f) et un échantillon de Tiebaghi (g-i). Les composantes d aimantation portées par la goethite sont représentées en orange, les composantes portées par la magnétite en bleu et les composantes portées par l hématite en rouge. Symboles noirs/ blancs : le vecteur aimantation pointe vers le bas/haut, les directions sont normales/inverses. En projection à aires conservées, l étoile correspond à la projection de la direction d aimantation avec le rayon du cône de confiance à 95% associé Figure 16 - Avancement de la cartographie du régolithe de Nouvelle-Calédonie (octobre 2008)...63 BRGM/RP FR 7 Liste des annexes Annexe 1 L altération latéritique des roches ultrabasiques de Nouvelle-Calédonie : profil type, faciès principaux, évolution minéralogique et distribution des teneurs en NiO 2 dans chaque phase minérale au sein du profil (document synthétique IRD, J.-C. Parisot, 2004) Annexe 2 Tableau excel récapitulant les données acquises sur le terrain au cours de la phase Annexe 3 Localisation de la coupe de la Napouérédjéiné et de ses points de calage.83 8 BRGM/RP FR 1. Problématique et objectifs du projet 1.1. PROBLEMATIQUE Enjeux de la cartographie du régolithe en Nouvelle-Calédonie La Nouvelle-Calédonie est sous forte contrainte géologique, en premier lieu au plan des ressources minérales, mais aussi au niveau des risques naturels, de l'aménagement et de l'environnement. Avec le nickel, c est la plus grande partie de son économie qui dépend de son sous-sol. Avec son fort relief et un climat propice aux cyclones, ce sont les risques naturels encourus par les populations qui sont préoccupants. Avec un sol fréquemment infertile et sensible à l érosion, c est un environnement fragile qu il convient de protéger et un potentiel agricole qui est difficile à valoriser. La plupart des Services Géologiques du monde se trouvent actuellement confrontés au problème majeur de la non prise en compte des formations superficielles d altération dans leur couverture cartographique. Les cartes géologiques conventionnelles donnent essentiellement une information sur le substrat dur , la zone superficielle d'altération ayant été négligée jusqu'à présent. La Nouvelle-Calédonie n'échappe malheureusement pas à ce travers, mais dans le contexte calédonien, dont l économie dépend pour la plus grande partie des formations d altération développées sur les massifs de péridotite, le problème est particulièrement sensible. D autres domaines d applications sont également concernés : risques naturels, environnement, géotechnique, aménagement au sens large dans la tranche de 0 à 100 mètres. Au plan de la mine il est évident que l'histoire de l'altération conditionne la répartition et la richesse des gisements de nickel. Au plan des risques, il apparaît assez clairement aujourd'hui que les mouvements de terrains actuels correspondent à des réactivations de cellules anciennes d'altération. L'une des recommandations issues des Assises de la Recherche française dans le Pacifique pour le thème Aléas naturels est d'ailleurs, à juste titre, de Cartographier les formations géologiques et superficielles pour améliorer la compréhension des mouvements de terrain . Il est donc devenu indispensable de reprendre cette cartographie des latérites. La Nouvelle-Calédonie s'est dotée en 2006 d'un Service de la Géologie de la Nouvelle-Calédonie (DIMENC/SGNC) dont la mission sera de construire et consolider une infrastructure géologique (cartes géologiques, bases de données, inventaires) à la hauteur des ambitions de développement du pays. Le SGNC bénéficie d un transfert de compétences et de connaissances de l Etat dans le cadre de la convention pluriannuelle (5 ans) d assistance Nouvelle-Calédonie - BRGM du 3 juillet Les enjeux actuels et de demain pour le SGNC sont : de réaliser l'inventaire des ressources en nickel de la Nouvelle-Calédonie, BRGM/RP FR 9 d'améliorer l'infrastructure géologique du pays, notamment la cartographie des formations superficielles latéritiques sur les massifs miniers . En Nouvelle-Calédonie cette cartographie est de qualité très inégale, souvent inutilisable en particulier par la profession minière, par les aménageurs ou les décideurs Cadre scientifique de la cartographie du régolithe néo-calédonien Le développement des profils d altération de Nouvelle-Calédonie correspond à l'aboutissement d'un long processus d environs 20 millions d années dans lequel ont interagi et se sont télescopés des phénomènes complexes climatiques, tectoniques, morphologiques, dont il faut reconstituer les grandes étapes. Les premiers auteurs (Avias, 1954 ; Routhier, 1954 ; Orloff, 1968 ; Trescases, 1975 ; Guillon, 1975; Gonord, 1977, Lajoignie et Vogt, 1978) ont, avec quelques variantes, utilisé un schéma d'évolution partant d'une phase d'altération majeure initiale, créant au Miocène une paléosurface primitive et unitaire, progressivement démantelée en plusieurs cycles. Après ces premiers travaux, succède une période où la recherche va être absente pendant près de 25 ans. A partir de 2000, dans la perspective de la création d'un Centre National de Recherche et de Technologie sur le Nickel, de nouvelles équipes de chercheurs (IRD, CEREGE, BRGM) reprennent cette thématique. Les hypothèses invoquées sont souvent diamétralement opposées : prévalence de la néotectonique pour les uns (Lagabrielle et al., 2005), influence dominante des cycles climatiques sur un substrat statique pour les autres (Chardon & Chevillotte, 2006), intervention des phénomènes karstiques à l'échelle de la mine (Genna et al., 2005). Ces divergences de points de vue ne facilitent pas la tâche des géologues qui doivent réaliser une couverture cartographique cohérente basée sur un modèle fiable et un cadre conceptuel unanimement reconnu. Les propositions de calages relatifs des paléosurfaces sont discutables (Chevillotte, 2005). Il n'y a pas de datations absolues. L'enchaînement des phases d'altération et donc la répartition des altérites restent encore à définir dans ce milieu très particulier des latérites sur péridotites. Les méthodes de mesures (radiochronologie principalement) actuelles doivent être adaptées ou inventées OBJECTIFS DE L APPUI SCIENTIFIQUE A LA CARTOGRAPHIE DU REGOLITHE DE LA GRANDE TERRE DE NOUVELLE-CALEDONIE Dans un tel contexte et sans préjuger de l'une ou l'autre hypothèse nous proposons de fournir aux personnels du SGNC : un accompagnement méthodologique technique fondé sur la mise en pratique des outils numériques actuels (MNT, images satellitales), un accompagnement scientifique avec : 10 BRGM/RP FR les moyens analytiques du centre technique d'orléans, des mises en relation avec des laboratoires européens susceptibles de fournir des prestations analytiques adéquates. La contribution du BRGM au programme «Régolithe Nouvelle-Calédonie» - mené en collaboration directe avec le SGNC - est rattachée au programme de recherche «Régolithe» national. Le principe de base est de travailler de manière détaillée sur des zones pilotes (coupes de référence documentées ayant fait l'objet de publications, zones jugées représentatives) qui serviront de point de départ pour une généralisation cartographique par les outils numériques. Quelques sites de référence de Nouvelle- Calédonie peuvent être d'ores et déjà cités : Formation du Gwa Doro sur la côte est, zone du Fluvio-lacustre de la Plaine des Lacs dans le massif du Sud, séquences sédimentaires miocènes de Népoui sur la côte ouest. Quelques sites particulièrement bien exposés, telles certaines mines de nickel en exploitation, offrant de nombreux fronts de taille et des carottes exploitables pour la prise d échantillons et les analyses devant suivre, sont également des cibles de choix pour notre étude. BRGM/RP FR 11 2. Morphogenèse de la Grande-Terre et pistes scientifiques L'aspect géochimique et minéralogique de l'altération des péridotites, qui a été décrit par maints auteurs (Trescases, 1975 ; Latham, 1986 ; Pelletier, 1983, 1996), ne sera pas réexaminé ici. Il est simplement rappelé que la dissolution chimique s'exerce au dépend des silicates ferro-magnésiens et produit une grande quantité de résidus ferrugineux dont la plupart demeure in situ. Au plan chimique, il y a lixiviation presque complète du magnésium et rétention partielle de la silice. Le fer à l'instar du manganèse reste in situ, et avec lui un cortège d'éléments traces spécifiques aux péridotites tels que le nickel, le cobalt ou le chrome. Les résidus de cette dissolution conduisent à la formation d'un manteau latéritique couronné par une cuirasse ferrugineuse (cf. annexe 1). En revanche les transformations morphologiques qui affectent les péridotites seront plus détaillées. Whirthman (1965, 1970) fut le premier à souligner le caractère karstique de cette altération avec dissolution chimique et formation d'un résidu altéritique. Le vocabulaire du karst ( surfaces lapiazées , dolines ) a été couramment employé par les différents auteurs (Whirthman, 1965 ; Trescases, 1975). Les phénomènes de dissolution se traduisent par une progression vers le bas du front d'altération sous sa couverture résiduelle. Ils s'accompagnent de l'entraînement et du départ par soutirage des latérites et du tassement de la couverture. Dans le manteau altéritique, les zones de soutirage se manifestent en surface par l'apparition de dolines, entonnoirs aux bords abrupts qui constellent la plupart des surfaces cuirassées. Ces effondrements ont des pourtours arrondis ou ellipsoïdaux dont la forme peut trahir une anisotropie du substrat rocheux. La coalescence de plusieurs dolines forme ce que l'on appelle un ouvala en pays karstique calcaire, terme peu ou pas employé en Nouvelle-Calédonie. L'alignement de plusieurs dolines en surface peut traduire en profondeur la présence d'un accident important. Les dolines et l'ensemble des dépressions associées se substituent au réseau hydrographique de surface dont elles constituent une ébauche avortée, reflet,
