Afrique du Sud: histoire géologique

 

Les formations décrites ci-dessous sont celles utilisées dans la carte géologique simplifiée de la République d'Afrique du Sud.

 

L'ARCHÉEN (3500 - 2500 Millions d'années)

 

Les roches les plus anciennes d'Afrique du Sud sont archéennes et forment le socle sur lequel se déposeront les roches sédimentaires plus jeunes. Ces roches du socle sont essentiellement de vastes ensembles granitiques intrudant des formations plus anciennes de roches volcaniques et sédimentaires, les "ceintures de roches vertes" (greenstones belts) caractéristiques de l'Archéen. Ces associations "granite-ceinture de roches vertes" s'étendent au Nord du Natal et du Swaziland (région de Barbenton) à la chaîne du Soutpansberg (Province du Nord, nord de Louis Trichard). Elles forment le soubassement de la région du Lowveld (région de Nelspruit, Mpumalanga). Des formations similaires s'étendent à l'Ouest jusqu'à Pietersburg et constituent la plus grande partie de la vallée du Limpopo, au nord du Soutpansberg.

Des boutonnières de ce socle "granite - ceinture de roches vertes" apparaissent entourées de roches sédimentaires plus jeunes. On peut citer, entre autres, le dome de Johannesbourg (22), entre Johannesbourg et Prétoria, le remarquable Vredefort Dome, au sud-ouest de Johannesbourg.

Ce socle "granite - ceinture de roches vertes" et sa couverture de sédiments plus jeunes forment le Craton du Kaapvaal, un ancien nucléus de croûte continentale qui est resté préservé depuis les temps archéens.

 

 

La région de Barbenton (Mpumalanga) est mondialement connue car elle permet de bonnes observations de ces formations en Afrique du Sud.

Les "roches vertes", appelées ainsi car beaucoup de ces roches volcaniques altérées sont de couleur verte. Les plus célèbres sont les komatiites (102-B17), nommées d'après la rivière Komati (Province du Mpumalanga). Elles constituent des montagnes qui s'étendent à l'est de la frontière avec le Mozambique (Komatiiport, région du Mpumalanga) jusqu'aux escarpements du Drakensberg à l'ouest (Kaapschehoop). Outre la beauté de ses paysages et son intérêt historique, cette région est célèbre pour ces nombreuses mines d'or (comme la mine de Sheba, longtemps considérée comme la plus riche du monde). La cité minière de Barbenton est nichée au niveau d'un ancient granite (3 200 Millions d'années), témoin préservé de la naissance des continents, un peu plus de 1000 millions d'années après la formation de la planète Terre.

L'érosion de la Crocodile River (Province du Mpumalanga) d'un granite beaucoup plus jeune (2 600 Millions d'années) forme les magnifiques paysages entre Kaapmuiden et Nelspruit.

La ceinture de roches vertes de Murchinson se situe 250km au Nord de la ceinture de roches vertes de Barbenton, dans les terrains granitiques du Lowveld. Sa partie orientale s'étend sur le Parc Kruger, proche de la porte de Phalaborwa (Province du Nord). Le complexe de Phalaborwa, intrusion de carbonatites datée de 2050 Milliards d'années, s'est mise en place dans les roches granitiques du Craton du Kaapvaal. C'est l'une des plus grandes mines de cuivre à ciel ouvert au monde. On y exploite aussi phosphates, vermiculites et apatites.

 

 

La chaîne du Limpopo, aux frontières du Zimbabwe et du Botswana, est formée de roches métamorphiques de haut-grade. En particulier, près de Messina (Province du Nord), affleurent les Sand River Gneiss, proposés comme Monument National sud-africain. La plupart de ces roches sont plus anciennes que 3 200 millions d'années. La mine de cuivre de Messina, dans la chaîne du Limpopo, est associée aux grandes failles est-ouest. Des sources chaudes, comme celle de Tshipise (SE de Messina), sont associées à certaines failles.

Un autre aspect intéressant de la région du Limpopo est le riche héritage préhistorique des sites de Mapungubwe (SW de Messina) ou de Thulamela (Nord du Parc Kruger), témoins d'un ancient royaume récemment découvert.

 

 

Après la formation du socle archéen, des bassins sédimentaires associés à des roches volcaniques se sont développés. L'essentiel de ces bassins est occupé de séquences de quartzites, de conglomérats et de shales consituant le Supergroupe du Witwatersrand. Âgés d'environ 3000 millions d'années, ces sédiments ont été largement recouverts par des sédiments plus jeunes et n'affleurent que dans des secteurs où ils ont été exhumés par uplift et érosion.

Les séries basculées du Witwatersrand sont situées au Sud du Dôme granitique de Johannesbourg. Les quarztites blanches, résistantes, forment des rides Est-Ouest séparées par des vallées creusées dans les shales. La plus haute ride forme la ligne de partage des eaux entre les bassins du Limpopo et de Vaal, au Sud de Johannesbourg. Les premiers colons l'appelèrent Witwatersrand, la crête des eaux blanches, d'après les nombreuses chutes d'eau et torrents qu'on y trouve.

L'or se trouve sous forme de minuscules grains dans les couches de galets ou de conglomérats appelées "reefs". Ces reefs affleurent particulièrement bien à la ferme Langlaagte, juste à l'Ouest de la ville moderne de Johannesbourg. Ces formations aurifères très étendues sont uniques et font la célébrité des mines d'or sud-africaines. Depuis 1886, elles ont fourni 50 000 tonnes d'or (plus de 30% de la totalité d'or ayant été historiquement extrait par l'Homme) , faisant du bassin du Witwatersrand de très loin le premier champ aurifère mondial. Par endroit, les exploitations atteignent 4 000 mètres de profondeur.

Les roches du bassin aurifère du Witwatersrand affleurent dans les régions de Klersdorp (Province du Nord-Ouest, SW de Johannesbourg), Heidelberg (Province du Gauteng, SE de Johannesbourg) et Vredefort (Province du Free State, Sud de Johannesbourg), mais, la plupart du temps , sont recouvertes de formations plus récentes (Province du Free State, champs aurifères de Carletonville (Province du Gauteng, SW de Johannesbourg) et d'Evander (Province du Mpumalanga)).

 

 

Roches de nature et d'âge similaires à celles du Supergroupe du Witwatersrand, mais sans minéralisation aurifère importante, ces sédiments affleurent dans la région de Pongola, dans le Nord de la Province du Kwazulu-Natal.

 

 

Les sédiments du Witwatersrand ainsi que toute la zone entre Kimberley (Province du Cap Septentrional) et Mafikeng (Province du Nord-Ouest, frontière du Botswana) sont recouverts par de gigantesques volumes de laves. Ces centaines de coulées, avec des sédiments intercalés, se sont mises en place vers 2 700 milions d'années et forment le Supergroupe de Ventersdorp . Des concentrations aurifères, localement économiquement importantes, s'installent dans les conglomérats de base des laves du Supergroupe de Ventersdorp: c'est le "Ventersdorp Contact Reef". Les laves du Ventersdorp affleurent en arc de cercle autour du Vredefort Dome, à l'Est et à l'Ouest d'Heidelberg (Province du Gauteng, SE de Johannesbourg) dans les collines de Klipriviersberg, au Sud de Johannesbourg.

LE PROTÉROZOÏQUE (2500 -570 Millions d'années)

 

 

Entre 2 600 et 2 250 Millions d'années, une grande partie du craton du Kaapvaal est recouverte par une mer intérieure. Des sédiments, le supergroupe du Transvaal, recouvrent largement les laves du Ventersdorp et les autres formations plus anciennes. Ils se déposent dans un énorme bassin sédimentaire s'étendant au Nord jusqu'à Pietersburg (Province du Nord), au Sud, Vredefort (Province du Free State, Sud de Johannesbourg), à l'Est, Nelspruit (Province du Mpumalanga) et à l'Ouest, Mafikeng (Province du Nord-Ouest, frontière du Botswana).

Un autre bassin similaire, le Bassin Occidental de Griqualand, s'étend entre Vryburg et Prieska, dans les Province du Nord Ouest et du Cap Septentrional.

La base du Supergroupe du Transvaal est formée par des quartzites contenant d'étroits lits de galets quartzeux sombres formant la Black Reef. Ils sont aurifères parfois et ont été exploités localement (Escarpement du Mpumalunga oriental ou Soweto, sud de Johannesbourg).

La série se poursuit avec les dolomites de Malmani, carbonates marins de faible profondeur mais d'une grande puissance. Elles contiennent des stromatolites. De nombreuses grottes, souvent occupées par les premiers hominidés ou autres mammifères, sont creusées dans cette formation ("Mrs Ples", A. africanus, puis H. habilis à Sterkfontein (N de Krugersdorp, Province du Gauteng), A. robustus à Kromdraai (N de Krugersdorp, Province du Gauteng), Australopithèques à Makapansgat (NW de Potgietersrus, Province du Nord), A. africanus àTaung (Province du Cap Septentrional)). Ces grottes peuvent causer des problèmes pour l'urbanisme (effondrements de bâtiments à Carletonville, à l'Ouest de Johannesbourg).

Au dessus des dolomites de Malmani se déposent localement des sédiments riches en fer, en manganèse et parfois en sodium. Des circulations hydrothermales importantes, suivant les accidents structuraux et provoquées par la présence d'intrusions magmatiques, contribuent à former d'importants gisements de fer, de manganèse et d'amiante. D'énormes gisements de fer ont été exploités vers Prétoria et dans le Bassin Occidental de Griqualand (Sishen, SW de Kuruman, Province du Nord-Ouest). Les 2/3 du minerai de fer de Shishen est exportés par rail. Des convois de plus 210 wagons transportant chacun 85 tonnes de minerai rejoignent le port de Saldanha Bay, sur la côte Ouest. Au nord de Kuruman et dans la même formation se situe le gisement de manganèse du Kalahari. C'est le plus grand gisement du monde, totalisant 80% des réserves mondiales de manganèse! A quelques centaines de kilomètres au Sud de Kuruman, vers Niekerkshoop, se trouve la plus grande zone de production d'"oeil du Tigre". L'oeil du Tigre (ou Tiger's eye) est le nom d'une pierre ornementale jaune-brune très recherchée, formée par altération et silicification de l'amiante bleue.

Les quartzites du Supergroupe du Transvaal constituent quelques uns des paysages les plus spectaculaires d'Afrique du Sud. De nombreuses falaises et de contreforts de l'Escarpement du Drakensberg (105) au niveau du Mpumalunga, comme les célèbres rochers des Three Rondavels (107-M2) ou des chaudrons de géants de Bourke's Luck (107-M3/1) (Blyde River Canyon, Mpumalunga) doivent leur origine à l'érosion des quartzites très résistantes de l'unité supérieure du Black Reef et de l'unité inférieure du Wolkerg Group (106-M1/1). De même, des failles affectant ces formations ont provoqué la formation de gorges ("poorts"), excellents sites d'implantations de barrages (barrage d'Hartbeespoort Dam (province du Nord Ouest, 32km à l'Ouest de Prétoria): point de vue au sommet de la falaise de quartzite).

 

 

Le complexe du Bushveld est une des merveilles géologiques mondiales. C'est la plus large intrusion litée mondiale (66 000 km2), limitée par le volcan de Pilanesberg à l'Ouest (Province du Nord-Ouest), Lydenburg (Province du Mpumalanga) à l'Est, Prétoria au Sud et Potgietersrus (Province du Nord) au Nord.

Formés autour de 2 055 à 2 060 Millions d'années, d'immenses volumes de roches mafiques, pauvres en silice et riches en fer et en magnésium, s'injectent parallèlement au litage des quarztites et des shales de la partie supérieure du Supergroupe du Transvaal. La principale localisation de cette intrusion se trouve au sommet de la couche quartzitique de Magaliesberg. Les roches mafiques du complexe du Bushveld s'érodent facilement, formant de vastes aires plates, couvertes d'un sol sombre.

Pendant le refroidissement du magma du complexe du Bushveld, les minéraux de différentes compositions et températures de cristallisation soit se déposent à travers le liquide soit remontent à sa surface. Ceci forme des couches remarquablement continues de composition minéralogiques contrastées qui sont la caractéristique du Bushveld. Outre les minéraux classiques des roches magmatiques (pyroxènes (silicates ferro-magnésiens) et feldspaths (silicates riches en aluminium, calcium et sodium), quelques éléments rares se sont déposés dans ces couches bien distinctes: platinoïdes, cuivre, nickel, chrome, vanadium et titane. Le complexe du Bushveld contient de loin les plus grandes réserves mondiales en un grand nombre d'éléments. Ainsi la célèbre Merensky Reef constitue la première carrière mondiale de platine et s'étend sur 240km. Des filons de chromite, de magnétites riches en vanadium sont connus sur des centaines de kilomètres.

Le complexe du Bushveld est associé avec une grande variété de roches felsiques (contenant essentiellement plagioclases, feldspaths potassiques, quartz et mica). Elles forment des roches bien distinctes, granites roses et roches volcaniques (nommées felsites et granophyres) intrusives dans les couches litées mafiques ou les recouvrant.

Des fluides magmatiques tardifs permettent des minéralisations d'étain, de fluorite ou de cuivre. Ils affectent généralement les roches granitiques et felsites.

 

 

35 millions d'années après la mise en place du complexe du Bushveld, le centre du craton du Kaapvaal subit un événement catastrophique. Une gigantesque météorite, de 10 à 15 km de diamètre, percute la Terre. L'impact forme le dome de Vredefort. Son diamètre est de 250 km: c'est le plus grand cratère météoritique connu sur Terre. Âgé de 2 020 Millions d'années, c'est aussi le plus ancien cratère connu.

 

Il y a 1 800 Millions d'années, des parties du complexe du Bushveld, du Supergroupe du Transvaal et du socle archéen sont couverts par des formations sédimentaires, le Waterberg Group.

Les sédiments du Waterberg, quartzites, arkoses et conglomérats, ont souvent une teinte rouge, caractéristique de la présence d'oxydes de fer. Ils témoignent de la première apparition d'oxygène libre abondant dans l'atmosphère terrestre. De tels sédiments tout à fait similaires et du même âge sont présents dans le monde entier. Ce sont des BIF (Banded Iron Formations).

Les sédiments du Waterberg affleurent essentiellement sur 3 régions du craton du Kaapvaal.

Environ 1 500 millions d'années après le dépôt du Supergroupe du Waterberg et jusqu'au dépôt de sédiments dans le grand Bassin du Karoo, il y eu peu d'activité géologique au Nord et à l'Est de l'Afrique du Sud. Une faible activité volcanique est marquée par le volcanisme alcalin de Pilanesberg (Province du Nord-Ouest) et le Pipe de kimberlite de Premier à l'Est de Prétoria se met en place autour de 1 200 à 1 300 Millions d'années. Par contre, le Sud et l'Ouest de l'Afrique du Sud sont soumis à une grande activité géologique qui subsiste jusqu'à 570 Millions d'années.

 

 

 l'Ouest d'une ligne Upington - Britstown se trouve la province de Namaqualand, partie de la chaîne Namaqua-Natal, à la suture entre le craton du Kaapvaal et celui du Bushmanland. Le craton du Bushmanland résulte d'une orogenèse datée à 1 750 Millions d'années. Les sédiments et les roches volcaniques du Bushmanland Group se sont mis en place entre 1 600 et 1 400 Milloins d'années. Les roches sédimentaires subissent un métamorphisme de moyen à haut grade, formant des gneiss, quartzites et schistes riches en amas de minerais de plomb, zinc et cuivre. Ces métaux sont exploités à Aggenys, à 60 km à l'Ouest de Pofadder (Province du Cap Septentrional).

Plus à l'Ouest se trouve l'important gisement de cuivre des districts de Springboks et Okiep. 2 millions de tonnes de cuivre ont été extraites des petits corps sombres mafiques inclus dans les vastes masses granitiques des cratons. Okiep est aussi historiquement le premier centre minier d'Afrique du Sud (van der Stel, 1685).

Dans la partie Est du Namaqualand une zone de rift a mis en place des roches volcaniques entre le craton du Kaapvaal et Namaqualand. Elles sont subies un métamorphisme avec enrichissement en métaux. Cuivre et zinc ont été exploités à Prieska et Areachap. Les pegmatites intrusives dans les granites de la province du Cap Septentrional sont riches en corindon, tourmaline, phosphate, éléments rares, améthystes et quartz rose.

La province métamorphique du Namaqualand forme une chaîne arquée le long de la marge sud du craton du Kaapvaal. L'essentiel est recouvert par les sédiments du Supergroupe du Karoo mais la chaîne réapparait dans le Sud du Kwazulu-Natal. Sur la côte orientale de l'Océan Indien, de Port Edward jusqu'à la rivière Tugela (N de Durban), l'action érosive de nombreux torrents a formé des collines rondes granitiques, specvtaculaire dans la Vallée des Mille Collines entre Durban et Pietermaritzburg.

 

LE PHANÉROZOÏQUE (570 Millions d'années à l'actuel)

Depuis la formation de la province métamorphique du Namaqualand - Natal, l'activité géologique migre vers le Sud et la côte sud-ouest d'Afrique du Sud. Autour de 600 Millions d'années, des sédiments, dont le Groupe de Malmesbury, se déposent dans une série de bassins. Vers 550 Millions d'années, des granites, les Granites du Cap, se mettent en place. Ils contiennent une faible quantité de tungstène et d'étain, exploitée autrefois à Kuilsrivier. L'altération des granites forme des argiles de bonne qualité. Elles sont exploitées à Noordhoek (Péninsule du Cap de Bonne Espérance, Province du Cap Occidental). Puis vers 500 Millions d'années, une série de shales, grès et conglomérats se dépose sur les granites du Cap partiellement érodés. Ils s'étendent de Vanrhynsdorp (Province du Cap Occidental) sur la côte ouest à Port Elizabeth (Province du Cap Oriental)sur la côte est. Ils subirent une importante déformation, formant la Chaîne Plissée du Cap. L'essentiel des paysages de la région du Cap est le résultat de l'érosion de cette Chaîne Plissée. Les grès résitants constituent les reliefs des Montagnes de Witteberg, Swartberg et Outeniqua (Province du Cap Occidental) et les vallées sont creusées dans les shales plus tendres.

Au niveau de la ville du Cap, à la pointe sud-ouest d'Afrique du Sud, les falaises de la célèbre Table Mountain sont dues aux sédiments du Groupe de la Montagne de la Table surmontant les granites du Cap. Les contacts entre les 2 unités sont visibles à de nombreux endroits de la Péninsule du Cap de Bonne Espérance. Puis entre 450 et 350 Millions d'années se dépose le Supergroupe du Cap (grès et shale. Des galets striés suggèrent l'existence d'une glaciation dans cette région.

Environ les 2/3 de l'Afrique du Sud sont recouverts par les sédiments et les roches volcaniques du Supergroupe du Karoo. Ils se mirent en place entre 300 et 140 Millions d'années. Le principal bassin, le Bassin du Karoo, s'étend de Towsrivier (Province du Cap Occidental) à Witbank (Province du Mpumalanga). Des bassins secondaires se forment 1) au centre du Bushveld (bassin de Springbok Flats) 2) au nord du bassin du Waterberg, sur le flanc nord de la chaîne du Soutpansberg et 3) à la frontière orientale de l'Afrique du Sud avec le Mozambique. Tous ces bassins secondaires ne possèdent pas les formations les plus anciennes du Supergroupe du Karoo.

Les roches du Supergroupe du Karoo se retrouvent dans la plupart des pays africains au Sud de l'équateur, ainsi qu'en Amérique du Sud, en Antarctique, en Inde et en Australie. De nombreux indices (traces de glaciation, fossiles spécifiques, activité volcanique) observés sur tous ces continents mettent en évidence la fracturation d'un super-continent, le Gondwana.

Les sédiments du Supergroupe du Karoo enregistrent le changement d'environnement géologique du à la migration du Gondwana du pôle vers les latitudes tropicales en 150 Millions d'années:

1- La sédimentation débute par de larges dépôts glaciaires, les tillites de Dwyka (55-S8). Ils peuvent être observés au SE du Kwazulu-Natal et dans la région délimitée par Vredefort, Vereeniging et Middelburg au centre du pays. Ce Groupe de Dwyka démontre l'existence de grandes calottes glaciaires qui ont recouvert le sous-continent africain. Ces calottes se sont formées lorsque l'Afrique du Sud se situait au Pôle Sud. En certains endroits, elles ont laissé des traces remarquables de leur passage. Des cannelures et stries glaciaires sont observables vers la ferme Nooitgedacht, vers Kimberley: elles ont même été classées Monument National!

2- Après la fonte des calottes glaciaires, les shales et les grès du Groupe d'Ecca se déposent dans une mer étendue et peu profonde. Pendant cette période, une grande partie du Bassin du Karoo (S du Mpumalanga et NW du Natal) était recouverte de marécages et de forêts impénétrables. Ces végétaux forment le charbon du Groupe d'Ecca. Ce charbon constitue plus du tiers des réserves de charbons de l'Hémisphère Sud et fournit sa principale source d'énergie à l'Afrique du Sud (nombreuses centrales thermiques à l'est de Johannesbourg, dans le Mpumalunga).

3- La Mer d'Ecca régresse et les roches sédimentaires suivantes, le Groupe de Beaufort, se déposent principalement dans des grandes plaines d'inondation, sous un climat plus chaud et plus sec. Ces sédiments du Groupe de Beaufort sont riches en fossiles d'amphibiens et de reptiles. Certains de ces fossiles sont très particuliers: ce sont des reptiles ayant développé des spécificités de type mammifère, alors que les vrais mammifères n'évolueront que dans 50 Millions d'années. Ces fossiles ont rendu mondialement célèbre l'Afrique du Sud pour les paléontologues. Le sommet de la série est constitué par les formations les plus colorées du Karoo. Elles forment les spectaculaires falaises colorées de la Formation de Clarens (59-G9), observables dans le Golden Gate National Park (partie orientale de la province du Free State).

4- La succession du Supergroupe du Karoo s'achève par la mise en place d'un gigantesque volume de laves basaltiques, signant la fracturation du Gondwana. Des régions étendues d'Afrique du Sud ont été recouvertes par ces coulées, maintenant largement érodées. Un reste de ces coulées chapeaute l'essentiel du haut plateau du Lesotho. Une érosion intense du réseau hydrographique va former des reliefs impressionnants: rivières méandreuses incisées (55-S3), gorges profondes et étroites, chutes d'eau spectaculaires. Cette succession de coulées atteint 1 400 mètres d'épaisseur et peut être observée au niveau de l'Escarpement du Drakensberg (60-G12), au Natal, des Montagnes du Lebombo, à la frontière avec le Mozambique.

Ces corps magmatiques intrusifs de type "pipe" sont nombreux en Afrique du Sud. Ils sont interprétés par certains comme les racines d'anciens volcans d'âge varié. La plupart se sont mis en place entre 120 et 60 Millions d'années (Crétacé moyen à supérieur), suivant la fracturation du Gondwana. La kimberlite est la principale roche contenant des diamants. Elle est facilement altérable et les pipes affleurent assez mal. La plupart des connaissances sur la composition et la structure de ces corps a été obtenue grâce aux mines de diamants. Les kimberlites les plus connues sont celles ayant été intensement exploitées et apparaissant maintenant comme une large excavation: le "Big Hole" de Kimberley et la "Premier Mine" de Cullinan.

LES DÉPÔTS RÉCENTS