Le bassin houiller de Saint-Étienne s’apparente à une cuvette triangulaire délimitée à l’Ouest par Firminy, à l’Est par Givors, et au Nord par La Fouillouse (fig. 1). L’axe d’allongement Sud-Ouest Nord-Est est de l’ordre de 100 km. La largeur du bassin est d’environ 30 km.

Le bassin houiller de Saint-Étienne se compose de nombreuses couches de charbon, dont l’épaisseur varie entre 1 et 15 m. L’épaisseur cumulée de charbon avoisine les 80 mètres. Par ailleurs, ce bassin est le plus ancien des bassins français. Aussi, dès le XVIIIe siècle, naissaient des exploitations de charbon en surface.

C’est en raison de son importance que le bassin houiller de Saint-Étienne a été un des bassins les plus étudiés. Les premières études en 1877 ont été révisées dans les années 1900, pour connaitre, à la fin du XXe siècle, un nouveau modèle expliquant la mise en place des structures observées dans cette région. En premier lieu, le bassin peut paraitre simple : la frontière Nord est en pente douce vers le Sud-Est, puis le bord Sud est simplement redressé à la verticale voire à peine cisaillé localement par un accident inverse. Toutefois, la structure du bassin houiller de Saint-Étienne est en réalité bien plus complexe.

En quoi la structure de ce bassin est-elle complexe ? Comment ont évolué les modèles structuraux du bassin houiller de Saint-Étienne de 1877 à aujourd’hui ? Quelles étaient les ressources exploitées dans cette région ? Quels sont les risques actuels encourus par ces anciennes exploitations ?  

Le bassin houiller de Saint-Étienne et son cadre géologique

Une description du bassin houiller de Saint-Étienne à partir de la carte géologique de Saint-Étienne au 1/50 000

Le bassin houiller de Saint-Étienne s’étend dans sa plus grande dimension Sud-Ouest Nord-Est sur plus de 100 km. Cette direction est interprétée comme résultante de la chaine varisque. De plus, le bassin est large d’environ 30 km selon l’axe Nord-Ouest Sud-Est passant par Saint-Étienne. On remarque également que le bassin devient de plus en plus étroit de part et d’autre de cet axe en direction de l’Est comme de l’Ouest. Le bassin s’étend davantage vers l’Est : ceci caractérise une dissymétrie de sa structure.

De plus, le bassin houiller de Saint-Étienne est un grand synclinal, peu plissé, mais présentant d’importantes fractures. En effet, un important décrochement dextre Sud-Ouest Nord-Est est constaté sur la bordure Sud du bassin : il s’agit du décrochement du Pilat. Des failles normales Nord-Ouest Sud-Est ainsi que des failles inverses orientées Ouest-Est sont visibles aussi bien au Nord qu’au Sud de Saint-Étienne.

L’ensemble de ces observations peut être reporté sur un schéma structural de la région (fig. 2).

Qu’en est-il des roches observées en surface ? Et quelle est la structure profonde de ce bassin ?

La stratigraphie du bassin houiller de Saint-Étienne

Les formations du bassin houiller de Saint-Étienne sont décrites selon les séquences de remplissage du bassin dans le temps. Ces dernières peuvent également s’expliquer au vu de la paléo-géomorphologie. Nous détaillerons ce qui est remarqué de bas en haut, autrement dit du plus ancien au plus récent.

L’assise de Rive de Gier, au contact avec le socle, est constituée d’une brèche basale présente principalement sur le bord Nord du bassin. Ces brèches résultent de l’érosion du socle varisque adjacent. Cette première assise est datée au Stéphanien inférieur, aussi nommé Stéphanien A. La brèche de La Fouillouse est un exemple de cet ensemble (fig. 3). Au sein de cette brèche, il est remarqué des dépôts de charbon en contact direct avec le socle. Les dépôts grossiers sont issus de l’érosion torrentielle et/ou de glissements de terrains. Les éléments constitutifs de la brèche sont des gneiss et des micaschistes provenant des monts du Lyonnais.

L’assise de la Talandière, également datée au Stéphanien A, montre des dépôts conglomératiques et des grès de cône alluvial (fig. 4). Il est possible de distinguer deux sous-formations à savoir le poudingue mosaïque qui affleure dans la région Nord-Est du bassin ainsi qu’au Sud de la zone à brèche basale, et le faisceau de La Chazotte observable en surface de manière étendue au Sud des formations décrites précédemment. Ces formations reconstituent le paléo-relief du bassin.

L’assise de Saint-Étienne se compose de dépôts de grés, pélites et charbons de plaine fluvio-palustre (fig. 5). Ces dépôts sont datés au Stéphanien supérieur. De plus, ils affleurent à la surface en formant une bande encerclant la ville de Saint-Étienne.

L’assise d’Avaize, du Stéphanien supérieur, se rencontre en surface à l’Ouest de Saint-Étienne. De plus, cette assise se compose de grès, de pélites et charbons de plaine fluvio-lacustre tout comme l’assise de Saint-Étienne (fig. 6). Il est également constaté localement, au sein de cette formation, un paléosol contenant avec une souche de Sigillaria sp. en place.

Ensuite, des formations de conglomérats, datée au Stéphanien supérieur-Autunien, sont visibles en surface au Sud et au Sud-Ouest de Saint-Étienne (fig. 7). Ces formations sont constituées de conglomérats ainsi que de grès de plaine alluviale. Aussi, des conglomérats gris et des conglomérats rouges sont distingués.

Apparenté aux formations conglomératiques se trouvent des cinérites caractéristiques d’une activité volcanique allochtone (fig. 8).

La zone Sud du bassin houiller de Saint-Étienne, délimitée par la faille du Pilat, montre des couches fortement redressées. De plus, tout comme au niveau de la brèche de La Fouillouse, on remarque des conglomérats. Néanmoins, ces derniers sont moins grossiers. L’âge de ces formations conglomératiques est différent de celui de l’assise de Rive de Gier. Un argument en faveur de cette conformation est la présence d’un décrochement vers le Sud du bassin au cours du Stéphanien. De ce fait, le poudingue mosaïque n’est qu’une répétition de la brèche basale au Nord du bassin houiller de Saint-Étienne. Ces conglomérats, au contact de la faille du Pilat, possèdent un âge semblable à celui du poudingue mosaïque.

Une synthèse des observations précédentes peut se construire sous la forme d’une coupe géologique Nord-Sud du bassin houiller de Saint-Étienne (fig. 9).

Comment ce bassin s’est-il mis en place ?

L’histoire géologique du bassin houiller de Saint-Étienne : de la naissance au perfectionnement d’un modèle

Le bassin houiller de Saint-Étienne figure en première approximation comme un empilement d’écailles charriées et découpées par de nombreuses failles. En 1978, des géologues ont exploité les renseignements apportés par les forages miniers et ont proposé un premier modèle pour la formation de ce bassin.

Conjointement à la mise en place du granite du Velay lors de la phase dite asturienne, d’importants accidents cassants ont préparé la zone synclinale subsidente au sein de laquelle, à partir du Stéphanien inférieur, s’accumulent des sédiments houillers. S’ensuit un rajeunissement du relief en bordure du bassin à la fin du Stéphanien moyen. Ceci a provoqué l’érosion partielle du Stéphanien inférieur et s’est terminé par une transgression générale du conglomérat mosaïque. De plus, c’est à la fin du Carbonifère qu’une surrection au Nord-Est a conduit à l’écoulement gravitaire, en direction de l’Ouest Sud-Ouest, des formations houillères sur le socle en trois nappes successives qui se chevauchent. La dernière manifestation de la tectonique hercynienne a lieu à la phase saalienne. En effet, une poussée conséquente vers le Nord-Ouest engendre un ensemble de déformations. Cette phase tectonique se manifeste par des charriages de très grande amplitude et impacte seulement le Stéphanien. Quant à l’orogenèse alpine, elle s’est intégrée à la tectonique de blocs, en faisant rejouer quelques accidents cassants subverticaux du socle. Ces dislocations ainsi que l’érosion, ayant à certains endroits détruit les dépôts stéphaniens, ont donné au bassin houiller de Saint-Étienne sa forme actuelle. Enfin, au Nord-Est du gisement de Saint-Étienne, un relèvement axial du sillon est constaté. Ce dernier s’accompagne d’une disparition quasi-totale des dépôts : c’est le seuil de Givors. À cet endroit, ne subsistent que de petits lambeaux ayant un âge imprécis.

Toutefois, c’est seulement à partir des années 1990 que les géologues ont commencé à s’intéresser aux diverses failles normales qui affectent la chaine varisque du Massif Central et plus particulièrement celle du mont Pilat. En effet, l’étude de cette dernière a conduit à établir un nouveau modèle à propos de la formation du bassin houiller de Saint-Étienne.

Le nouveau modèle proposé (fig. 10) permet de concilier la présence simultanée d’un grand décrochement, d’un bassin de dimension limitée avec une forte épaisseur sédimentaire, et de nappes superficielles déplacées vers le Sud-Ouest parallèlement au décrochement. Ce déplacement a été largement documenté, en témoigne le premier modèle décrit précédemment. En 1978, la conclusion était la suivante : il s’agit d’une mobilisation par gravité de la couverture carbonifère vers l’Ouest Sud-Ouest ainsi que d’une translation du bassin houiller vers l’Ouest Sud-Ouest. Néanmoins, la présence de nappes de glissement déplacées par gravité et associées à de nombreuses failles normales, avec un basculement des couches et un rabotage basal, ne permet pas expliquer la structure du bassin actuel. En ce sens, un nouveau modèle est alors établi : dans un premier temps, un bassin en pull apart s’est formé sur un relai de décrochement dextre. Un tel bassin est généralement caractérisé par une importante subsidence localisée. De plus, les deux décrochements en relai correspondent au décrochement de Saint-Étienne et à la faille de direction Nord-Est Sud-Ouest. Dans un second temps, les conditions aux limites du décrochement de Saint-Étienne ont été sensiblement modifiées laissant place à une compression décrochante dans la partie orientale. Le bassin s’est alors trouvé comprimé en même temps que le coulissage se poursuivait. De cela, des reliefs ont pu se former dans la partie Nord-Est du bassin, zone affectée par un chevauchement décrochant au sein duquel figurent des plis. Enfin, après une certaine pente, les reliefs étant poussés finissent par subir un déplacement gravitaire vers l’avant des nappes de glissement : ceci provoque la formation de failles accompagnées par un rabotage basal.

Ce nouveau modèle prend en compte toutes les observations de terrain et les replace dans un contexte décrochant de grande dimension. Cependant, de nombreux problèmes restent à résoudre de par le manque de données géochronologiques suffisamment nombreuses. Il ne serait plus admis que la faille normale ductile du Pilat accompagne une extension au Stéphanien et que la région ait subi une extension tardi-orogénique généralisée pendant laquelle les reliefs se seraient effondrés sous leur poids. Le Stéphanien s’est déposé dans des bassins localisés et linéaires, tous associés à des décrochements dextres de direction Nord-Est Sud-Ouest. Aussi, ailleurs dans le Massif Central, les bassins sont associés à des décrochements senestres généralement de direction Nord-Sud, tel le Grand sillon houiller. Il parait donc que les dernières manifestations de la chaine varisque correspondent à un état de contrainte en décrochement, assez complexe dans le détails.

Au cours de la formation du bassin houiller de Saint-Étienne, celui-ci a accumulé une importante quantité de roches aux propriétés énergétiques très intéressantes. Quelles sont ces roches et comment ont-elles été exploitées ?

Le bassin houiller de Saint-Étienne : une région aux ressources carbonées exploitées depuis le Moyen-Âge

Les ressources carbonées du bassin houiller de Saint-Étienne

Le bassin houiller de Saint-Étienne situé entre les monts du Lyonnais au Nord et les monts du Pilat au Sud, a été durant le Carbonifère une vaste plaine marécageuse. Celle-ci s’est vue peu à peu comblée de sédiments issus de l’érosion des monts l’entourant ainsi que de végétaux poussant dans cette région. La végétation carbonifère connait au cours de son enfouissement une transformation à l’origine de la formation de roches particulières : les charbons (fig. 11). Les différentes strates du bassin contiennent des niveaux carbonés, cependant, seuls quelques couches du Stéphanien moyen (époque durant laquelle la végétation a été luxuriante) renferment du charbon à haut rendement énergétique : les anthracites.

L’exploitation des roches carbonées : une longue histoire commencée au Moyen-Âge

L’exploitation de ces roches carbonées débute dès le Moyen-Âge lorsque des paysans du Forez exploitaient les affleurements naturels de charbon pour se chauffer au cours de l’hiver. Plus tard, au XVIIIe siècle, les premières mines souterraines apparaissent. C’est seulement dans les années 1920 que l’exploitation minière atteint son apogée (fig. 12A), grâce notamment à l’apparition de nouvelles techniques d’exploitation à de grandes profondeurs, tel au puit Couriot faisant 700 m de profondeur. Sur deux siècles d’exploitation minière, plus de 500 millions de tonnes de charbon ont été extraites du bassin houiller de Saint-Étienne. Saint-Étienne, petit village à l’origine, s’agrandit rapidement par la venue de populations issues des zones rurales avoisinantes. Cette ville est aujourd’hui très connue pour son passé de grande ville industrielle spécialisée dans la production de charbon et dans la métallurgie, activités symboliques de la première révolution industrielle.

Actuellement, il est difficile d’observer cette partie du patrimoine stéphanois. En effet, tous les puits de mine ont été comblés, le dernier en date étant le puit Pigeot en 1983. De plus, les chevalements ont été détruits et la plupart des terrils ou crassiers ont été arasés. Il reste toutefois un vestige de cette époque minière avec la réhabilitation du puit Couriot en un musée de la mine (fig. 12B).

L’exploitation minière de cette région a présenté et présente encore de nos jours certains risques. Des aléas résiduels existent et doivent être pris en compte dans l’urbanisation de la région.

L’exploitation minière du bassin houiller de Saint-Étienne et ses aléas résiduels

L’exploitation d’une mine de charbon n’est pas sans conséquences au moment de l’extraction des roches d’intérêts, mais également plusieurs dizaines d’années plus tard. En effet, ici, nous nous intéressons aux aléas résiduels de l’exploitation minière. Un aléa un évènement naturel plus ou moins prévisible, hors de contrôle. On décrit un aléa par sa nature, sa localisation, sa fréquence et son intensité.

Plusieurs aléas dits résiduels existent dans la région stéphanoise. Certains sont mineurs comme l’émission de gaz de mine, d’autres sont majeurs et suscitent l’intérêt de bureaux d’études afin de qualifier et quantifier les risques encourus. Un risque se définit comme une éventualité d'occurrence d'un événement dommageable lié à l'exposition d'enjeux vulnérables à un aléa. C’est alors que l'aléa est perçu comme un danger.

Un premier aléa non négligeable est celui lié aux inondations. Tous les ouvrages miniers, et autres travaux, forment des drains préférentiels pour les eaux d’infiltration. En cela, ces constructions sont donc susceptibles de générer au sein de leur environnement des écoulements temporaires en cas d’épisodes pluvieux de forte intensité. Toutefois, le bassin houiller de Saint-Étienne présente de faibles débits des émergences au regard des débits de crue. Aussi, la situation hydrogéographique de la région est stabilisée. C’est pourquoi cet aléa inondations n’a pas été étudié dans le détail.

Néanmoins, les bureaux d’études se sont particulièrement intéressés à l’aléa dit géologique. Ce dernier regroupe plusieurs aléas à savoir :

• L’effondrement généralisé. Cela correspond à une rupture cassante brutale sur de grande surface. Cet aléa est le plus dommageable pour les constructions humaines en surface. À Saint-Étienne, cet aléa n’est pas retenu suite à l’absence d'une configuration favorable.
• L’effondrement localisé correspond à l’apparition en surface d’un cratère d’effondrement caractérisé par des dimensions dépendantes de la configuration des mines concernées. Cet aléa est un des plus étudiés dans le bassin de Saint-Étienne. En effet, le phénomène se produit assez fréquemment. Il se retrouve au niveau de secteurs urbanisés.
• L’affaissement est une déformation souple et progressive des terrains après l’éboulement d’un édifice minier souterrain. Cet aléa est n’est pas retenu dans la région stéphanoise.
• Le tassement sur des mines souterraines correspond à la recompaction d’un massif affecté par l’exploitation minière, et notamment sous l’effet d’une surcharge ou de grandes variations des conditions environnementales : sécheresse, forte pluviométrie, etc. Cet aléa est pris en considération sur grande partie du territoire du bassin houiller de Saint-Étienne.

Le bassin houiller de Saint-Étienne a connu plus de deux siècles d’exploitations minières. Ces dernières ont livré une importante quantité de fossiles, à l’origine de l’étage géologique nommé Stéphanien en référence à la ville de Saint-Étienne. Cet étage est aujourd'hui renommé : le Pennsylvanien. Les fossiles retrouvés sont principalement des empreintes végétales telles des feuilles ou troncs de Fougères et Prêles, comme Lépidodendron sp. (fig. 13A) retrouvés dans des schistes séparant les bancs de houille. Aussi, une faune fossilisée est conservée par la finesse des sédiments retrouvés : des Insectes (Meganeura monyi) (fig. 13B) et des Amphibiens (Actinodon frossardi) (fig. 13C) ont été ensevelis dans des vases et fossilisés.

Bibliographie et sitographie

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Mattauer M. & Matte P.. Le bassin Stéphanien de St-Etienne ne résulte pas d’une extension tardi hercynienne généralisée : c’est un bassin pull-apart en relation avec un décrochement dextre. Geodinamica Acta, 1998. n° 11, pp. 23-31.

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