The Pliocene succession of Lyon Metropolis (SE France): an overfill of a Messinian incised-valley

La série pliocène de la métropole de Lyon (sud-est de la France) : un remplissage sédimentaire débordant une vallée messinienne

¹ Ecole normale supérieure de Lyon, LGL-TPE UMR 5276, 69364 Lyon Cedex 07, France
² Sorbonne Université, ISTeP UMR 7193, 75005 Paris, France
³ GEOBIOSTRATDATA Consulting, 385 route du Mas Rillier, 69140 Rillieux-La-Pape, France

^* e-mail: jeanpierre.suc@gmail.com

Received: 26 September 2023
Accepted: 21 February 2024

Abstract

The Pliocene ria, a narrow seaway running up the Rhône Valley, has been mapped for a while by field geologists. Only much later, after the DSDP Leg 13 in 1970, a consensus was reached that this unique geological feature of the Rhône Valley was created by the major Mediterranean sea-level drop associated with the Messinian Salinity Crisis, followed by a sudden sea-level rise caused by the breach of the Strait of Gibraltar and the invasion of the Mediterranean Basin by the Atlantic waters. At the regional level of the Lyon Metropolis in the upper Rhône Valley, main issues were however remaining about the course and depth of the Messinian valley, and about the valley fill, namely where and how do the Pliocene marine strata of the Rhône Valley pass to the continental deposits of the Bresse Basin to the north? These are key-questions in that the Plio-Pleistocene makes up a large fraction of the basement that holds up a large city, not free from potential geological hazards and subject to problems of groundwater management, high-cost tunneling projects, etc. Our survey reviews first the historical researches − descriptions of the outcrops and fossil assemblages. It is followed by an unprecedented analysis and correlation of a thousand boreholes, which makes it possible to physically link and reconcile ancient local observations. Sections across the Messinian valley reveal a proper canyon morphology for the segments that cut the crystalline basement. The magnitude of the incision has been calculated as 335 m to a minimum, three hundred kilometers away from the river mouth. Three major depositional systems are distinguished for the Pliocene − Lower Pleistocene succession. The valley that initially ran much farther north of Lyon was occupied in the Zanclean by a series of pounded lakes, dammed by transverse local alluvial fans, filled by minor Gilbert-type deltas, and repeatedly flooded by marine ingressions. The valley wings were then encroached during the Piacenzian by a major, Alps-rooted alluvial sheet. At the level of Lyon, the fluvial deposits were deflected to the north (Sables de Trévoux) and to the south (Alluvions jaunes) as a dichotomy. The succession was then capped by a gravel-dominated fluvio-glacial fan (Alluvions jaunes sommitales) at the Plio-Pleistocene transition. It spread out from the north-east to the south, and intersected the previous valley overfill due to the shift to the north, i.e., South Jura, of the feeder stream. The depositional and current elevations of the marine-influenced episodes, i.e. marker bands that punctuate the regional Neogene succession, are used to bring out successive uplift and subsidence phases of the region. Finally, we tentatively link the major shifts in the depositional patterns of the Late Neogene succession in the Lyon area to major changes in the thrust belt activity, exhumation story, and outset of glaciers in the western Alps.

Résumé

La ria pliocène de la vallée du Rhône a été cartographiée dès la fin du 19^ème siècle. Bien plus tard, à la suite du Leg DSDP 13 en 1970, il a été admis que ce trait particulier du bassin du SE de la France fut engendré par une chute majeure du niveau de la Méditerranée associée à la crise de salinité messinienne, suivie par une brutale remontée des eaux venues de l’Atlantique par une brèche créée dans le détroit de Gibraltar. En amont de la ria, au niveau de Lyon, restaient des incertitudes sur le tracé et la profondeur de l’incision fluviale messinienne, et sur le remplissage de la vallée, à savoir où et comment le Pliocène marin de la vallée du Rhône passait aux dépôts lacustres et continentaux de la Bresse ? Ces questions sont importantes car le Plio-Pléistocène constitue une large part du soubassement d’une zone urbaine pourvue d’aléas géologiques et sujette à des problèmes de gestion des ressources aquifères, de coûts élevés de percements de tunnels, etc. Notre étude s’appuie sur une revue des recherches anciennes (descriptions des affleurements et gites fossilifères) suivie d’une analyse et corrélation inédites d’un millier de forages. Les coupes au travers de la vallée messinienne révèlent une morphologie typique de canyon pour les portions qui incisent le socle cristallophyllien. L’amplitude de l’incision est estimée à 335 m au minimum. Trois systèmes majeurs de dépôts sont distingués pour le Pliocène − Pléistocène inférieur. La vallée fluviale qui s’étendait initialement au nord bien au-delà de Lyon a été occupée au Zancléen par une série de lacs barrés par des cônes alluviaux, remplis par des Gilbert deltas, et envahis de manière répétée par des systèmes margino-littoraux. Le Plaisancien voit un débord en aggradation de la vallée par des dépôts fluviatiles d’origine alpine. A l’est de Lyon, les flux détritiques se séparaient, déviés vers le nord (Sables de Trévoux) et vers le sud (Alluvions jaunes). Le remplissage confiné puis général de la vallée est coiffé par le vaste et très grossier cône fluvio-glaciaire des Alluvions jaunes sommitales à la transition Plio-Pleistocène. Ce cône, étalé du nord-est vers le sud de Lyon, a recoupé les précédents dépôts à la suite du décalage de la zone d’alimentation détritique principale depuis les Alpes occidentales, vers le sud du Jura. Le co-enregistrement des altitudes de dépôts et actuelles de couches-repères, i.e., épisodes à influence marine, de la série du Néogène des environs de Lyon nous servent à mettre en évidence une succession de phases régionales de soulèvement et de subsidence. Enfin, nous relions à titre d’essai les changements majeurs du dispositif sédimentaire détritique observés dans le Néogène tardif de la zone de Lyon à des changements géodynamiques (activité des chevauchements frontaux ; exhumation des massifs) et climatiques (installation de couvertures glaciaires) qui ont pu s’opérer dans les Alpes occidentales.