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Géologie de la Mongolie septentrionale

Granite de la province de Gov-Altaï

La Mongolie est un pays de hauts plateaux dépassant pour la plupart les mille mètres d’altitude, situé entre la Chine et la Sibérie. Sa superficie vaut trois fois celle de la France, avec 1,564 million de kilomètres carrés, mais elle est peu peuplée et un tiers de ses 3 millions d’habitants vivent dans la capitale, Ulaanbaatar (Oulan-Bator écrit à la manière française). Elle a deux grandes chaînes de montagnes, l’Altai à l’ouest et le Khangai au centre. Leurs sommets sont respectivement le mont Khuiten à 4 374 m, sur la frontière sino-mongole, et l’Otgon Tenger à 4 021 m, mais de récentes mesures indiquent une altitude inférieure pour ce dernier.

Si la Mongolie n’a pas de côte, elle a de grands lacs, le Khövsgöl au nord, l’Uvs, le Khyarags et le Khar à l’ouest. Les deux derniers sont alimentés par la rivière Zavkhan, qui provient du massif du Khangai. La rivière Baydrag prend sa source dans ces mêmes montagnes, coule vers le sud et se jette dans le lac Böön Tsagaan. Le sud de la Mongolie fait partie du désert du Gobi (gov en mongol), qui est plutôt une zone semi-aride.

En 2002, le géologue G. Badarch a effectué un découpage du territoire en quarante-cinq zones appelées des terranes, en trois bassins sédimentaires et en deux « ceintures ». Ce travail fait autorité et je l’ai repris, mais la carte que j’utilise a été établie en 2013 par A. Chimedtseren et des chercheurs suisses. L’article est consacré au bassin sédimentaire du Khangai-Khentei, sur lequel se trouve Ulaanbaatar. Je la complète par une carte faite par Bardach en 2005 qui ne présente que les parties les plus anciennes du territoire.

L’Otgon Tenger. Andre pixart, Wikimedia Commons.
Désirée Ruppen et al., Restoring the Silurian to Carboniferous northern active continental margin of the Mongol–Okhotsk Ocean in Mongolia: Hangay–Hentey accretionary wedge and seamount collision, Gondwana Research 25-4, 1517-1534, 2014.

Un territoire originellement océanique

Durant le Néoprotérozoïque (de 1 000 à 541 Ma), la Mongolie était un ensemble de micro-continents séparés par des océans. À partir du Paléozoïque, ces derniers se sont refermés par subduction, c’est-à-dire que les plaques océaniques se sont enfoncées sous les plaques continentales. Ce phénomène s’est accompagné d’un important magmatisme, et quand les micro-continents sont entrés en collision, des montagnes se sont élevées. La formation de la Mongolie n’a été achevée que durant le Jurassique, avec la fermeture d’un océan appelé Mongol-Okhotsk. La zone de suture s’étend du bassin sédimentaire du Khangai-Khentei jusqu’à la mer d’Okhotsk à l’est de la Sibérie. Ainsi, la Mongolie a commencé par être un chapelets de micro-continents et d’îles avant de devenir l’un des territoires les plus continentaux qui soient. Ce qui est encore plus remarquable, c’est qu’il y a eu création de croûte continentale.

Une grande partie méridionale de la Mongolie n’existait pas au début du Paléozoïque. Elle est séparée de la partie septentrionale par une grande faille appelée le linéament mongol principal. Presque toutes les roches situées au sud de cette faille ont été produites par le volcanisme du Paléozoïque ou sont des accumulations de sédiments (accretionary wedge « prisme d’accrétion » de Gobi Altai, juste sous la faille). Il y a donc bien eu un accroissement de la surface continentale. Mais je n’en parlerai pas ici. J’ai choisi de n’aborder que la partie située au nord du linéament parce que c’est la plus ancienne de la Mongolie.

G. Bardach, Tectonic overview of Mongolia, Mongolian Geoscientist 27, p.1-7, 2005.

Des roches dont l’âge atteint 3,15 milliards d’années

Les anciens continents sont appelés des cratons. Les blocs cratoniques qui ont été reconnus sont Zavkhan, Baydrag, Tarvagatai (nom de montagnes situées près de l’Ogton Tenger) et Gargan au nord du lac Khövsgöl. Leurs roches sont presque toujours métamorphisées : elles ont été transformées par la pression et la chaleur lors d’orogenèses. Ce sont le plus souvent des gneiss âgés de 3,15 à 1,87 Ga (milliards d’années). Il n’est pas toujours possible de déterminer le protolithe, c’est-à-dire la roche qui a été métamorphisée. Si c’est un granite, le gneiss peut être qualifié d’orthogneiss.

Les autres roches que l’on trouve sur ces blocs cratoniques sont des marbres, des schistes, des quartzites et des amphibolites. Les marbres sont des calcaires métamorphisés. Les amphibolites proviennent généralement d’une ancienne croûte océanique. Il y a 1,85 à 1,84 Ga, ces blocs ont été soumis à un chauffage supérieur à 700 °C qui a produit des granulites, roches métamorphiques de haute température. La cause de cet événement important n’est pas connue avec certitude. Le terrane de Sangelin (SN sur la deuxième carte) contient des roches fortement déformées et métamorphisées dont l’origine demeure énigmatique. On peut en dire autant du terrane de Khamardavaa (HD) à l’est du lac Khövsgöl. Il possède des plutons de granodiorites datés à 481 ± 5 Ma. C’est la limite Cambrien-Ordovicien.

Stromatolites et témoignages de la Terre « boule de neige »

Sur le terrane du Tarvagatai, du calcaire à stromatolites du Néoprotérozoïque et du Cambrien inférieur, ainsi que des matériaux volcaniques, se sont déposés. Les stromatolites sont des rochers de calcaire construits par des colonies de bactéries en milieu littoral. Ils étaient abondants à cette époque, dans le monde entier. Des calcaires de la même époque se sont déposés dans les deux bassins sédimentaires du Khövsgöl et de Tsagaan Oloom, sur le terrane de Zavkhan. La formation de Tsagaan Oloom contient jusqu’à 2 500 mètres d’épaisseur de sédiments. À la base, se trouvent des tillites. Il s’agit de moraines laissées par des glaciers. Ce sont des témoignages d’une glaciation globale que la Terre a connue durant le Néoprotérozoïque (Terre boule « boule de neige ») et qui s’est terminée il y a 635 Ma : la glaciation marinoenne. Le calcaire a commencé à se déposer dès qu’elle s’est achevée, la région étant inondée grâce à la formation d’un rift, et la sédimentation s’est poursuivie jusqu’au Cambrien, en alternance avec des sables et des graviers.

Les couches supérieures contiennent de minuscules coquilles d’Anabarites trisulcatus et Purella antiqua. Ces animaux non classés, aussi trouvés en Sibérie et en Chine, sont les premiers « enfants » de l’explosion de la vie au début du Cambrien, il y a 541 Ma. Ces témoins sont rares. Ailleurs dans le bassin, des fossiles d’Archéocyates figurent en grand nombre. Ce sont des éponges bâtisseuses de récifs, propres au Cambrien.

Le Bogd Khan est une montagne qui surplombe Ulaanbaatar de 914 mètres. C’est une intrusion de granite datée d’environ 200 Ma, soit de la limite entre le Trias et le Jurassique. Laika ac, Wikimedia Commons.

Un très abondant volcanisme

Le terrane d’Ereendavaa comporte des roches métamorphiques avec des intrusions de granites. Un article de 2017 suggère qu’il date du Cambrien-Ordovicien (495-464 Ma) et du Permien-Jurassique (299-172 Ma). Deux épisodes magmatiques se sont produits durant la deuxième période, dus à la subduction de l’océan paléo-asiatique puis à la fermeture de l’océan Mongol-Okhotsk. Juste au sud, s’allonge la ceinture du Gobi moyen (Middle Gobi volcano-plutonic belt sur la première carte). Ce sont des roches plutoniques et volcaniques datant du Carbonifère et du Permien.

Du côté ouest, un magmatisme comparable a recouvert une surface considérable durant le Dévonien et le Carbonifère. Il s’est déplacé vers le nord-est, en Sibérie, où il duré jusqu’au début du Trias. Ces roches constituent la ceinture de la Selenge (nom d’une rivière qui se jette dans le lac Baïkal), dont la longueur est de 2 000 km et la largeur est comprise entre 200 et 300 km. Les roches volcaniques sont des andésites, des trachy-andésites, des dacites et des rhyolites. Les roches plutoniques sont des syénites, des monzonites, des granodiorites et des granites. Elles proviennent des mêmes magmas mais les roches plutoniques ont cristallisé en profondeur tandis que les roches volcaniques se sont solidifiées en surface : ce sont d’anciennes laves. Ce magmatisme est continental, les dacites et les rhyolites étant les versions volcaniques des granodiorites et des granites. Étant donné la viscosité de ces laves, elles étaient émises lors d’éruptions explosives.

Sédimentation et éruptions sous-marines dans la région d’Ulaanbaatar

Le bassin sédimentaire du Khangai-Khentei a été séparé en deux bassins par une faille du Cénozoïque. Son aire est de 250 000 km². La carte donne une description détaillée de la région d’Ulaanbaatar. Les géologues distinguent quatre formations (groupes de roches) : Sergelen au Dévonien inférieur, Gorkhi au Dévonien supérieur, Altan Ovoo au Carbonifère inférieur et Orgioch Uul (uul signifie « montagne ») au Carbonifère supérieur. Leur âge diminue du bord vers le centre du bassin. Les strates ont été fortement plissées et parfois inclinées presque à la verticale, si bien qu’il est facile de suivre leurs successions. Les deux dernières formations comprennent des ardoises, du basalte, du chert, du grès, des conglomérats, des tufs mafiques et felsiques. Le chert est de la silice qui a précipité dans de l’eau.

Les tufs ont été éjectés par des éruptions volcaniques. Ceux qui sont mafiques ont une composition similaire à celle du basalte. Les tufs felsiques sont plus riches en silice, comme les granites et les rhyolites, d’où leur nom dérivé de « feldspath » et « silice ». La formation de Gorkhi comprend du calcaire et de la radiolarite à la base, des alternances de grès et d’argiles siliceuses ensuite, sur une épaisseur totale de 1 350 m. La radiolarite est une accumulation de coquilles en silice de Radiolaires, des animaux planctoniques vivant sous une grande profondeur d’eau. Elle peut être considérée comme du chert. Le calcaire comprend des tiges de Crinoïdes, des Échinodermes en forme de plantes vivant sur des fonds peu profonds. Il y a des intrusions de magmas mafiques et felsiques, et l’on a même retrouvé des volcans sous-marins.

Les monts Khentei. SaturneGeo, Wikimedia Commons.

Des morceaux de plaques océaniques en pleine Asie centrale

Ces sédiments et les fossiles d’animaux marins qu’ils contiennent sont des souvenirs de l’océan Mongol-Okhotsk. Le volcanisme de la Selenge et du Gobi moyen est attribué à sa fermeture, mais pas les basaltes trouvés dans la formation de Gorkhi et dans celles d’Altan Ovoo et d’Orgioch Uul. Ils ont la composition d’un basalte de point chaud, comme ceux de Hawaii. C’est le terrane d’Adaatsag, entre le bassin du Khangai-Khentei et le terrane d’Ereendavaa, qui est considéré comme la zone de fermeture de cet océan. Celui de Dochgol, plus à l’est, en est un prolongement. Il comporte une séquence ophiolitique, c’est-à-dire un morceau de plaque océanique : basalte, gabbro isotrope avec intrusions de plagiogranite et de dolérite, intercalations de gabbro lité, de werhlite et de clinopyroxénite, et enfin dunite et harzburgite serpentinisées.

La Mongolie, située en plein cœur de l’Asie, nous offre ainsi une descente sous le plancher des océans. Le basalte et le gabbro sont les roches de la croûte océanique. Ils ont la même composition chimique mais le gabbro est cristallisé, avec parfois des cristaux de plusieurs centimètres de long. La dolérite, qui peut être considérée comme une roche basaltique, a une cristallisation fine. Le gabbro lité, la wehrlite et la clinopyroxénite proviennent d’accumulations de cristaux dans une chambre magmatique située sous la dorsale océanique. La dunite et la harzburgite sont des roches du manteau qui ont été longuement exposées près de la surface et altérées en serpentinites noires. Le plagiogranite est au contraire presque blanc. C’est une roche felsique à cristaux fins associée à l’eau circulant dans la croûte océanique. Quant aux sédiments recouvrant cette croûte, c’étaient des argiles, du sable et du chert rouge. Il y a aussi des calcaires à récifs coralliens du Silurien et des sédiments riches en Bryozoaires du Carbonifère. Les Bryozaires sont des animaux très simples, possédant des sortes de tentacules, les lophophores, qui amènent la nourritures vers la bouche.

D’autres ophiolites existent, montrant que plusieurs espaces océaniques se sont fermés. Le plus grand est celui de Bayankhongor, entre le terrane de Baydrag et le bassin du Khangai-Khentei. Il a 300 km de long sur 20 km de large. Juste au nord, se trouve le terrane de Zag. Il s’agit d’une ancienne marge continentale passive, c’est-à-dire un « bord » de continent immergé et recouvert de sédiments. Le terrane d’Idermeg, à l’est, est la partie mongole du superterrane Argun-Idermeg, qui se prolonge en Russie. C’était également une marge continentale passive. Les sédiments se sont déposés sur un socle granito-gneissique. Ils vont du Protérozoïque au Cambrien et comprennent des marbres, des quartzites, du grès et des conglomérats (sables et galets soudés), ainsi du calcaire à stromatolites et Archéocyates.

Il faudrait encore parler des terranes de Kharaa et de Bayangol au nord-ouest d’Ulaanbaatar, composés de roches volcaniques et sédimentaires métamorphisées datant du Néoprotérozoïque à l’Ordovicien. Mais leur caractère de bassin d’avant ou d’arrière arc et d’arc insulaire les fait ressembler aux terranes de la Mongolie méridionale, et je ne peux pas expliquer ici comment ils se sont formés. Ce sont en tout cas d’excellents témoignages de l’ancienne nature océanique de la Mongolie.

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