Pourquoi donc les « marbres rouges » sont-ils rouges ?

par Alain Préat - SPS n° 313, juillet 2015

Ceci est la version intégrale d’un article abrégé paru dans le SPS n° 313.
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Carrière de Kaberlaba, calcaires rouges à 1.2 km au sud d’Asiago, NE Italie

Depuis des siècles, les calcaires rouges d’Europe (traditionnellement appelés « marbres rouges ») ont fasciné les architectes et les sculpteurs qui les ont utilisés tant dans les monuments civils et religieux, que pour les œuvres d’art. Les marbres rouges sont relativement rares dans la nature et ont été recherchés et exploités depuis le Moyen Âge en Belgique, Espagne, France, Italie, Tchéquie, etc. Leurs âges sont divers, depuis le Cambrien jusqu’au Néogène1. Les marbres rouges dévoniens de France et de Belgique eurent une vogue extraordinaire aux XVe et XIXe siècles : plus de 400 carrières furent ouvertes de la Montagne Noire jusqu’aux bordures des Ardennes franco-belges qui produisirent différentes variétés, depuis les « Rouges Byzantins » jusqu’aux « Rouges Impériaux ». Ainsi furent édifiés le Palais de Louis XIV, le Trianon , le Château de Versailles ; on les retrouve même à l’Assemblée Nationale au Palais Bourbon à Paris.

Il semble ainsi approprié d’introduire cette discussion par une citation poétique, puisque cette teinte a inspiré tant de jolies choses2 :

« Quand sur toi leur scie a grincé
les tailleurs de pierre ont blessé
quelque Vénus dormant encore,
et la pourpre qui te colore
te vient du sang qu’elle a versé »

Alfred de Musset, Poésies Nouvelles, 1850

Ces calcaires se sont presque tous déposés en milieu marin à différentes profondeurs. Mais d’où vient donc cette couleur qui rend la pierre si précieuse ? Trois hypothèses sont généralement invoquées (i) origine détritique : le fer provient de l’altération continentale en milieu oxydant, (ii) origine chimique : le fer précipite dans le domaine marin sous forme d’oxydes en milieu oxydant (riche en oxygène), (iii) origine microbienne : le fer précipite sous forme d’oxy-hydroxydes (ou oxydes de fer hydratés) aux interfaces oxiques/anoxiques dans le sédiment, les ferro-bactéries se développant dans les milieux où le fer ferreux (réduit) et l’oxygène sont disponibles en même temps et en quantités très faibles.

Ces hypothèses firent l’objet d’âpres débats pendant près d’un siècle dans la communauté scientifique et finalement l’hypothèse microbiologique (iii) est bien la bonne et n’a pu être démontrée que récemment, il y a à peine dix ans [1]. Que d’encre a effectivement coulé sur le sujet alors qu’à l’inverse – et assez curieusement – plusieurs congrès consacrés à l’étude de calcaires rouges ont systématiquement éludé le problème. Citons l’Italie, pays fort riche en marbres rouges, qui a organisé en 1981 un symposium consacré à l’Ammonitico Rosso (marbre rouge du Jurassique). Les résumés de ce symposium ont été publiés dans un magnifique volume orné d’une couverture rouge (Rosso) montrant l’importance de cette couleur. Mais contre toute attente, lors de ce congrès, pas un mot, ni aucune explication sur l’origine de la teinte, uniquement des études paléontologiques, sédimentologiques et tectoniques ! Cette origine restait donc bien mystérieuse et la communauté des géologues se gardait bien de s’y engager.

Pourtant, les géologues des XVIII-XIXe siècles s’étaient évidemment posés la question de l’origine de la teinte. Et qui dit « rouge » dit « fer » et pendant longtemps les deux furent associés. Le fer était considéré comme détritique, transporté et mélangé à la matrice carbonatée lors de la sédimentation. La concentration et le degré d’oxydation étaient jugés responsables des teintes plus ou moins foncées.

Un peu plus tard la relation ferruginisation/paléogéographie/influence climatique devint à la mode. Les sols délavés équatoriaux (latérites) auraient fourni une grande quantité d’oxydes de fer. Les calcaires rouges devenaient alors des indicateurs climatiques. Mais souvent, sur le terrain, les calcaires rouges en voisinent d’autres, verts, intimement liés. D’où une « explication » géologique : il s’agirait, pour les premiers, de faciès riches en oxygène et donc oxydés, les seconds étant, au contraire, réduits. Le tout en milieu peu profond. Une dernière question ? Il existe des calcaires silicifiés3 rouges provenant de faciès fort profonds avec un minimum de fer et d’oxygène … pourtant il ne s’agit pas de faciès réducteurs.

Qu’observe t’on ? En réalité la teneur en fer dans ces roches est faible (< 1 %), beaucoup plus faible que celle de la moyenne des roches carbonatées. Ce n’est donc pas cette teneur qui est à l’origine de la teinte. La teneur en oxygène n’est pas liée à l’oxydation du fer, et n’est alors pas liée à des milieux marins peu profonds où cet oxygène est omniprésent. Le fer est présent sous forme d’hématite4 submicronique. Que faut-il en penser ?

Il y a une vingtaine d’années nous nous sommes intéressés aux fameux « récifs » rouges frasniens du Massif de Philippeville en Belgique, au nord de Givet, et ensuite à d’autres marbres rouges en Europe et en Afrique du Nord. Dans tous les cas ces marbres rouges consistent en une lithification d’anciennes boues carbonatées. Les récifs frasniens se formèrent lors d’une diminution du niveau marin. Ils sont donc passés d’une zone aphotique (absence de lumière), à une zone dysphotique (lumière filtrée) puis à une zone euphotique (spectre de lumière complet). La base de ces formations s’est formée en milieu très calme, sans être atteint par les vagues de tempêtes, et donc sans grande oxygénation, pour passer à des milieux où l’oxygénation était un peu plus importante, et finalement dans la zone d’agitation des vagues normales où les « récifs » terminèrent leur croissance. Les marbres rouges qui s’y rencontrent se sont formés dans les milieux calmes, sans apports importants ni en fer, ni en oxygène. Ils sont stratifiés avec des teintes rouges à rosées.

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Ferro-bactérie filamenteuse (diamètre 2 µm) encroûtée de fer (diamètre apparent 5 µm) dans une matrice carbonatée, Tafilalt, Anti-Atlas marocain, calcaire rouge, limite Frasnien/Famennien. Microscope électronique

Une observation importante doit être mentionnée ici car elle pourrait expliquer la formation de ces marbres rouges. En effet, dans les récifs ainsi que dans tous les autres marbres rouges étudiés, l’hématite s’observe sous diverses formes, dont des filamenteuses et coccoïdes. Ces formes rappellent les fameuses ferro-bactéries actuelles. Ces bactéries, souvent filamenteuses, sont observées dans de nombreux milieux contenant du fer et/ou du manganèse réduits. Elles sont soit acidophiles soit neutrophiles, ces dernières (Sphaerotilus, Leptothrix, Gallionella, etc.) sont souvent associées aux interfaces oxiques/anoxiques dans le sédiment et se développent dans les milieux où le fer ferreux (réduit) et l’oxygène sont disponibles en même temps et en quantités très faibles. Elles utilisent l’énergie libérée par l’oxydation du fer ferreux en fer ferrique pour fixer le dioxyde de carbone et comme cela pouvoir croître. Vu l’absence de figures de dissolution dans les marbres rouges, il pourrait donc bien s’agir d’anciennes ferro-bactéries neutrophiles (et non acidophiles) qui auraient précipité le fer lors de leur croissance. Nous ne connaissons pas de sédimentation actuelle de boues carbonatées rouges susceptibles de devenir par induration des calcaires semblables aux marbres rouges. Existe-t’il toutefois des biofilms actuels devenus rougeâtres par action de ferro-bactéries neutrophiles ? Le fer y serait sous forme d’hydroxyde et pourrait se transformer par fossilisation en hématite, sa forme stable.

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Ferro-bactéries filamenteuses (diamètres 1 à 2 µm) dans la couche intermédiaire du biofilm développée sur la coquille de Tellimya (Montacuta) ferruginosa, dépôts de fer (granules submicroniques), Microscope électronique

La réponse à la question précédente est oui : un mollusque fouisseur actuel Tellimya (Montacuta) ferruginosa, vivant dans le terrier d’un oursin irrégulier (Echinocardium cordatum), est rubéfié par la présence d’un biofilm bactérien proliférant à la surface de sa coquille tout en précipitant du fer ferrique. Ce bivalve vit à l’interface oxique-anoxique dans un milieu intertidal (zone de balancement des marées) des côtes sableuses de la mer du Nord [2]. Les conditions particulières de ce terrier d’oursin permettent à ces bactéries qui se développent sur la surface d’autres organismes vivants d’encroûter le bivalve en couches multiples ferrugineuses. Il a été montré qu’il s’agit d’un processus de biominéralisation du fer lié à la production de molécules organiques (substances exopolymériques anoniques) dans les gaines ou les capsules des bactéries. Ainsi ces deux organismes actuels nous suggèrent que la couleur rouge des marbres dont il est question dans cet article serait due à l’activité métabolique d’anciennes ferro-bactéries précipitant des minéraux de fer dans des micromilieux spécifiques (les interfaces oxiques-anoxiques). La couleur rouge des marbres n’apporte donc aucune information quant à la profondeur d’eau ou à la paléogéographie, les interfaces étant présentes partout sur la Terre, et sans doute bien au-delà. En effet, si un jour on démontre la présence de bactéries sur Mars, comme cette planète est riche en fer et a contenu de l’eau liquide, des marbres rouges martiens pourraient peut-être exister... Le marbre « Rouge Martien » pour un futur Palais de l’Assemblée Nationale martienne ?

[1] Mamet B. et Préat A. 2006. Iron-bacterial mediation in Phanerozoic red limestones : State of the art. Sedimentary Geology 185, 147-157.
[2] Gillan D. et De Ridder Ch. 2001. Morphology of a ferric iron-encrusted biofilm of Montacuta ferruginosa (Mollusca, Bivalvia). Chemical Geology 177, 371-379.
Gillan D. et al. 2001. Iron oxidation and de7position in the biofilm covering Montacuta ferruginosa (Mollusca, Bivalvia). Geomicrobiology Journal 17, 141-150.

1 Le Phanérozoïque, qui succède au Précambrien, s’étend du Cambrien (période débutant à 541,0 Ma ± 1,0 Ma) à aujourd’hui. Différentes périodes sont présentes dans le Phanérozoïque, dont le Dévonien (base à 419,2 Ma ± 3,2 Ma), le Jurassique (base à 201,3 Ma ± 0,2 Ma), le Néogène (base à 23,03 Ma). Les périodes comprennent différents étages, comme le Frasnien (base à 382,7 Ma) et le Famennien qui lui succède au Dévonien Supérieur (http://www.stratigraphy.org/ICSchar...). Les « récifs » frasniens du Massif de Philippeville étant liés à l’activité de ferro-bactéries par près de 100 m de profondeur ne sont pas l’analogue des récifs coralliens actuels.

2 http://classes.bnf.fr/passerelles/l...

3 Imprégnation par la silice (SiO2, quartz, calcédoine ou opale) d’une roche préexistante, liée à des migrations ou précipitations de la silice.

4 Oxyde de fer de formule chimique Fe2O3 (formes et modes de formation variés).

Mis en ligne le 8 juillet 2015
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