Le cadre géographique

1Le cadre géographique de l’étude est principalement couvert par les limites administratives du département de la Haute-Saône et en particulier les bassins versants des principaux cours d’eau qui le traversent : la Saône et l’Ognon (fig. 19). Encadré par le plateau de Langres au nord-ouest par les premiers contreforts des chaînes du Jura au sud-est, le département de la Haute-Saône constitue un glacis intermédiaire entre les Vosges méridionales au nord-est et la plaine de Saône au sud-ouest.

2La plupart des recherches ont été concentrées autour du cours supérieur de la Saône dans la zone des plateaux de Saône. Autour de la Saône et de son principal affluent au sud ; l’Ognon s’est constitué un réseau hydrographique dense dont le drainage est axé suivant le pendage général en direction du sud-ouest. Cet important maillage hydrographique capte une grande quantité de sources pérennes issues de précipitations conséquentes largement réparties tout au long de l’année (fig. 20).

3La région des plateaux draine de nombreux émissaires issus des formations crétacées ou plio-quaternaires, lesquelles recouvrent les séries karstiques du Jurassique supérieur. Cette dernière série, lorsqu’elle affleure, se trouve dépourvue de drainage superficiel en rapport avec les phénomènes de karstification : pertes, dolines, vallées sèches... (fig. 21).

4Les formations superficielles affectent une grande partie de ce territoire comme les argiles rouges à chailles, les sables à Mastodon de la région de Gray datés du Tertiaire ou les limons qui recouvrent par placages de forte puissance les alluvions anciennes des cours de la Saône et de l’Ognon.

5C’est précisément à l’intérieur de ces deux dernières formations que se situe le principal gisement de fer d’altération ou fer pisolithique qui intéresse cette étude.

6Ailleurs, en particulier dans les plateaux calcaires du Jurassique : Bussurel (Haute-Saône), Onans (Doubs), Bethoncourt (Doubs) les remplissages karstiques fossiles livrent également des formations ferrifères de type pisolithique (fig. 22).

7La région étudiée bénéficie ainsi de conditions favorables à l’exploitation de minerais de fer tout en procurant la quantité d’eau nécessaire pour les traiter.

8Les différentes zones (zones-tests), où les recherches de terrain ont été particulièrement concentrées sont situées dans la plaine de Saône à l’est de la ville de Gray. Elles couvrent une superficie de plusieurs dizaines de kilomètres carrés composée aux deux tiers de parcelles boisées.

9Elles sont limitées au nord-nord-ouest par la Romaine affluent de la Saône. Le cours de la Tenise marque la limite méridionale de la zone. Ces rivières pérennes et peu encaissées sont des affluents de rive gauche de la Saône. Les dénivellations sont peu perceptibles, de l’ordre de 20 à 30 mètres entre les cotes altimétriques extrêmes.

10Le substratum de cet ensemble est constitué d’assises calcaires du Jurassique supérieur et des calcaires lacustres à silex tertiaires (Oligocène) masqués par des placages importants de limons d’âge plio-pleistocène (fig. 23).

11Ces formations caractérisent un modelé aux formes aplanies et peu contrastées. Les alluvions fluviatiles jalonnent les cours des rivières. Elles sont recouvertes par des amas limoneux d’origines détritiques pouvant atteindre deux à trois mètres de puissance. Les minerais de fer pisolithiques, qui se trouvent piégés dans ces amas, sont intégrés dans des formations argilo-sableuses ou des marnes blanchâtres et rosées accompagnées de concrétions calcaires, le castillot, datées du Plio-Pleistocène (Campy et Contini, 1973, pp. 229-230).

12A la hauteur de Vellefrey-Vellerange (Haute-Saône), au sud de Mont-les-Etrelles (Haute-Saône), des affleurements d’âge Eocène sont signalés sur la carte géologique au 1/50000^e ; reposant sur les marnes du Crétacé ; ces calcaires renferment également des pisolithes ferrugineuses.

Le cadre géomorphologique

13Les unités géomorphologiques qui caractérisent l’avant côte médio-jurassique et les plaines de Saône portent les empreintes de la morphogenèse fini-quaternaire. Sur ces unités, l’évolution actuelle se manifeste par une érosion réduite en rapport avec le maillage hydrographique (fig. 24) Les processus érosifs sont variés : ruissellements en nappe et ruissellements concentrés souvent accentués par un drainage dense affectant les versants.

14Les formes du modelé élaborées dans les zones étudiées sont en étroit rapport avec la structure et correspondent à la nature lithologique des faciès affleurants. La tectonique y est négligeable. Glacis colluviaux et versants aux formes molles et aux interfluves peu marqués dominent dans cette région boisée (fig. 25).

15Les unités géomorphologiques sont soumises à un décapage progressif qui évolue selon les modalités de la morphogénèse propre au climat tempéré en rapport avec l’occupation du sol.

Les minerais de fer

16Les gisements de minerais de fer sont nombreux, mais de types et de dimensions variables (fig. 26). Il existe des minerais de fer en relation avec le magmatisme et des minerais de fer situés dans les roches sédimentaires. La Franche-Comté comporte plusieurs types de gisements (fig. 27) :

17- Des gisements hypogènes ou filoniens (fig. 28) liés à la géodynamique interne le plus souvent d’âge varisque (hercynien), liés aux terrains anciens, parfois repris au cours de l’orogenèse alpine. Ce sont :

• des filons hydrothermaux dans les massifs anciens : Vosges Saônoises ;
• des amas de substitution dans les formations primaires : massif de Chagey.

18Ces minerais ne sont pas étudiés dans le cadre de cette étude.

19- des gisements supergènes, ou sédimentaires (fig. 29) liés à la géodynamique externe (marine et continentale).

20Deux types de gisements se rencontrent :

• des dépôts sédimentaires marins de l'ère mésozoïque : aalénien et supra-liasique : fer de la cuesta médio-jurassique aux environs de Vesoul (Haute-Saône). Le principal est le minerai aalénien ou minette, qui se trouve être le prolongement du gisement de Lorraine ;
• des gisements d'altération plio-pleistocènes : gisements des plaines de Saône et de la région de Montbéliard.

Les minerais sédimentaires marins de l'ère mésozoïque ou minerais oolithiques.

21Les minerais oolithiques appartiennent à des gisements sédimentaires stratiformes, d’âge secondaire, liés à la plateforme post-varisque. Entre le Lias et le Crétacé inférieur, les conditions de milieu de la plate-forme marine ont favorisé à plusieurs reprises la concentration de fer sédimentaire (Maubeuge, 1964, pp. 11-44). Formés en milieu marin, à partir du fer hérité du lessivage des sols ferrugineux des zones émergées, ils renferment des oolites (ou oolithes), sphères ou ovoïdes d’un diamètre inférieur à 0,5 mm dont le noyau ou nucleus formé d'un fragment de quartz, de calcite ou de débris organique, est recouvert de pellicules concentriques de calcite ou d’hématite (Rosenthal, 1990, pp. 13-48). Ce minerai contient du phosphore issu des organismes marins (Bubenicek, 1961).

22On distingue deux groupes de minerai de fer constitués d'oolithes en fonction des conditions du milieu dans le quel ils se sont formés (Contini et Thierry, 1984, pp. 218-221) :

• Les formations ferrugineuses de plate-forme marine superficielle. Elles contiennent souvent des oolithes plus ou moins ferrugineuses. La plupart des minerais du Toarcien supérieur et de l'Aalénien entrent dans cette catégorie. Ce faciès correspond à la minette lorraine.
• Les formations à oolithes ferrugineuses de milieux calmes. Elles sont issues de plates-formes plus profondes que les précédentes, elles sont riches en fossiles (ammonites, bélemnites...). La matrice fine renferme des oolithes ferrugineuses à structure oncolithique (encroûtements algaires1 concentriques). On les rencontre en Franche-Comté à la base du Domérien, dans le Toarcien supérieur. Elles sont aussi bien représentées au Callovien qu'à l'Oxfordien. Dans son Mémoire sur la Franche-Comté envoyé au régent en 1717, l’intendant Le Guerchois décrit ainsi les minerais de fer de la région : Dans le paquet I est la mine en roche ou pierre qui est d'une nature chaude et se tire presque à la superficie de la terre ; la minière est disposée comme une carrière ; on la casse en petits morceaux comme des noix lorsqu'on la veut mettre au fourneau. Il y en a même qui en font des tas comme des fours et font du feu au moyen de quoi elle se casse et se brise plus aisément ; on se sert pour castine de la même terre rouge comme pour les menües mines ci-dessus. Ladite mine est fort ingrate ; c'est tout au plus si trois queues de mine rendent un millier de fonte et les fers en sont cassants (Le Guerchois, 1717, BM Besançon, MS 936).

Les minerais d'altération d'âge plio-pleistocène ou pisolithiques

Le Sidérolithique

23Pendant longtemps, les minerais pisolithiques ont été englobés sous le terme général de Sidérolithique. Le terme Sidérolithique ou Sidérolitique a été proposé par Thurmann en 1834 lors de la réunion extraordinaire de la Société Géologique de France à Strasbourg (Thurmann, 1838, pp. 376-377). Il désignait le minerai en grains du Jura bernois. Le terme recouvre surtout les formations de type conglomérat de la région d'Audincourt (Doubs) et concerne un faciès particulier d'âge Eocène. Le minerai constitue un véritable poudingue ou Naguelflue, qui renferme des grains de minerai de fer de taille millimétrique. Ces formations indurées appelées aussi jaunot sont visibles dans la forêt du Salignonsale près de Bethoncourt (Doubs) (fig. 30). Le minerai de fer sidérolithique constitue un faciès bien individualisé et daté. Ce minerai de type pisolithique s'est constitué à l'Eocène, à partir d'une pédogenèse complexe dans des conditions climatiques particulières.

24Ces formations sont souvent surmontées par des argiles et des conglomérats d'âge plio-pleistocène comme les cailloutis du Sundgau (Haut-Rhin), ce qui explique leur situation en profondeur.

25Entraînées par les eaux de ruissellement, ces formations d'altération se sont progressivement accumulées dans les fissures naturelles du karst ou dans les dépressions superficielles des plateaux calcaires. Elles sont surtout localisées dans la région d'Audincourt, de Montbéliard (Doubs) et dans le Territoire de Belfort. Les minerais sont souvent constitués par de petites concrétions sphériques d’oxy-hydroxydes de fer, les pisolithes, emballées dans une matrice argileuse et limoneuse jaune appelée bol ou bolus. Cette argile d’une puissance variable de 2 à 20 mètres comble les cavités et dépressions du terrain jurassique.

26Les ouvriers appelaient grabon cette argile ferrifère et ils nommaient grabonnières les minières qu'elle constituait notamment dans la région de Montbéliard. L'âge de ces formations tout comme leur genèse sont à l’origine de multiples hypothèses.

27L'ingénieur des Mines de Haute-Saône Thirria distinguait deux types de minerais (Thirria, 1833) :

• les terrains du minerai de fer diluvien dans lesquels il dissociait les gîtes de minerai de fer diluvien situés à la surface du sol des gîtes de minerais de fer, situés dans les fentes et boyaux du calcaire jurassique. Les boyaux sont entièrement remplis d'argile ferrugineuse (...). Le minerai se compose de grains souvent aplatis, ayant au plus la grosseur d'un pois, et formés de couches concentriques plus ou moins distinctes. Ces grains qui sont rarement entiers, sont accompagnés de quelques plaquettes tuberculeuses de fer hydroxidé, et sont disséminés dans une argile ocreuse, souvent sablonneuse et quelquefois un peu grasse, dont le volume est de 5 à 15 fois plus considérable que celui du minerai (...).
• les terrains du minerai de fer pisiforme. Ces terrains auraient été enlevés de leurs points de dépôt par les eaux diluviennes et transportés par elles dans le karst avec des débris d'autres formations préexistantes. Il situait les terrains pisiformes juste après ceux du Jurassique. (...) Le terrain du minerai de fer pisiforme se compose de couches alternantes de sable, d'un conglomérat calcaire et d'argile avec amas de minerai (...). Le minerai de fer pisiforme se compose de grains sphéroïdaux de fer hydroxidé ayant au plus la grosseur d'un pois, et formés de couches concentriques bien distinctes. Ces grains sont presque toujours isolés et indépendants les uns des autres. Quand ils sont agglutinés, ce qui arrive rarement, ils se présentent, au milieu du terrain pisiforme, en masses peu volumineuses, que les ouvriers nomment greluches ; et le ciment qui les unit est un calcaire ferrugineux (...). Le minerai n'est pas seulement constitué de grains. (...). Il est accompagné souvent d'un petit nombre de nodules géodiques et de plaquettes tuberculeuses de fer hydroxidé, semblables aux nodules et plaquettes disséminées dans les couches de sable, avec des morceaux réniformes et des nodules de formes sphéroïdales ou cylindriques, également en fer hydroxidé, dans lesquels cette substance a une structure rayonnée du centre à la circonférence (...). Les plaquettes de fer hydroxidé ont une apparence celluleuse et boursouflée. L'origine du minerai de fer proviendrait selon Thirria de sources minérales.

Les minerais résiduels, de remaniements ou minerais pisolithiques

28Le fer pisolithique ou minerai de fer en grains se localise dans le Crétacé inférieur et dans le Tertiaire supérieur (Rosenthal, 1990, pp. 13-48).

29Il se présente sous forme de dépôts stratiformes. Il occupe fréquemment les fissures naturelles du karst, dont il colmate les vides. Le minerai de fer pisolithique d'âge plio-pleistocène occupe la majeure partie des plateaux de la Haute-Saône et de l'ouest du Jura. Les pisolithes sont semblables à celles du minerai sidérolithique. La genèse de leur formation est identique. Au Tertiaire, sous un climat de type tropical se sont formés des sols à horizons d'accumulation de fer (phase de la latérite) : les pisolithes proviennent du démantèlement d'un paléosol de type cuirasse latéritique. Elles sont constituées de petits grains sphériques de goethite, oxyde naturel hydraté de fer (Fe02H). Leur morphologie est celle de petit pois (pisiforme) ou de haricots en terme allemand (bohnerz) (fig. 31 et 32).

30Il s’agit de minéralisations en oxy-hydroxydes de fer, constituées par les produits du démantèlement et du remaniement de paléoaltérites ou de paléosols. Ces formations ont été piégées dans les dépressions et cavités d'origine karstique des aires d’affleurement des calcaires jurassiques et crétacés.

31Les gîtes de minerais de fer pisolithique des plaines de Saône étaient très riches et relativement faciles à exploiter, puisque disséminés en grandes quantités à la surface du sol. Il s'agit d'argiles riches en hydroxyde de fer ou limonite qui existent sous forme de sphérules arrondies ou pisolithes noyées dans une argile limoneuse. Ces grains, de 1 mm à 15 mm de diamètre, se présentent sous l'aspect de concrétions. Le noyau est constitué par un éclat de roche ou un grain de sable. Dans certains remplissages, ces grains peuvent s'agglutiner en agglomérats plus ou moins cimentés : la greluche, une forme de minéralisation recherchée par les mineurs de l’époque pour sa concentration en fer (fig. 33).

32Parfois, les sédiments se sont trouvés piégés par des formations calcaires postérieures, constituant dans les plaines de Saône le castillot. Suivant l'importance des phénomènes de transport et de sédimentation, le minerai de fer en grains présente des modes de gisements très irréguliers tant par la qualité du minerai que par l'épaisseur du dépôt. Ainsi, des gisements de surface n'atteignent que quelques mètres de puissance. Certains remplissages karstiques peuvent présenter parfois des épaisseurs de plusieurs dizaines de mètres.

33Tiburce dans son Mémoire au Régent (Tiburce, 1781) offre une description imagée de ce gisement. La mine de fer en grains est beaucoup plus abondante dans le bailliage de Vesoul que les précédentes d'une meilleure qualité, elle varie beaucoup, pour la grosseur depuis celle d'un grain de chènevis jusqu’à celle d'une grosse chevrotine.

34Dans les plus gros grains, il se trouve une cavité qui augmente relativement à leur volume comme de petites géodes ; quelquefois ils ont un petit noyau qui la remplit et s'en détache lorsqu’on les casse ; d'autres sont de la grosseur d'une noix, et on les appelle greluches. Par leur rareté elles ne peuvent point faire une mine de fer distinguée ; elles résistent à des coups de marteau pour les casser qu'on croirait devoir les réduire en poudre ; mais cette résistance est relative à leur formation intérieure, elles sont comme cristallisées en rayon du centre à la circonférence.

35Les mines de fer en grains se trouvent mélangées et confondues avec des terres de différente nature, argileuse, graveleuse, sableuse, limoneuse, et doivent passer au lavoir avant que d'être mise au feu des fourneaux. Quelques fois, elles se trouvent sur la surface de la terre et sont exploitées en chasse, pour se servir des termes des mineurs ; d'autres fois elles sont à la profondeur de 15, de 20, de 30 m et même plus de profondeur. Plus les grains sont petits, plus la mine de fer est riche principalement lorsqu'elle forme des masses de ces petits grains agglutinés. On remarque que les plus petits ont plus de pesanteur spécifique et contiennent par conséquent plus de parties ferrugineuses relativement à leur volume.

36Cette mine n'étant qu'une concrétion ferrugineuse doit se faire comme les autres concrétions du règne minéral par juxtaposition des parties similaires la formation des pisolithes, des oolites, des amites, des orobites et d'autres concrétions globulo stalagmitiques, donne une juste idée de celles des mines de fer en grains ; les principes ferrugineux extrêmement atténués et divisés par l'eau ou par d'autres principes dissolvant s'attachent à ces petits corps sphériques et les grossissent par différentes couches successives.

37Ces différentes mines de fer ne sont point attirables à l'aimant, elles sont trop enveloppées des parties hétérogènes ou trop décomposées et réduites à l’état de chaux et de terre marsiale pour pouvoir donner prise à son action. Mais lorsque les mines en grains ont été calcinées, elles reçoivent cette qualité du phlogistique2 dont elles étaient privées.

38La morphologie du minerai pisolithique ou pisiforme (Thirria, 1833) est très diversifiée. Cette morphologie, comme le mode de déposition, a certainement influé sur la nature et la disposition des ateliers. Ainsi, la greluche, fer brèchifié a certainement dû subir un processus de bocardage et de patouillage afin de séparer les pisolithes. Certaines concrétions de forte dimension devaient être soumises à un concassage préalable.

39Le Journal des Mines de 1798 dresse l'inventaire de ces minerais : Les mines de fer en masse se trouvent dans divers états : elles sont pour l'ordinaire d'alluvion, plus ou moins mélangées de sable et d'argile, tantôt en grains et tantôt agglutinées ; quelquefois ce sont des masses.

40Ces minerais de fer en grains constituaient un important gisement qui s'étend du nord nord-est au sud sud-ouest du département de la Haute-Saône, sur une longueur de 60 km et sur une largeur de 28 km. Répartis sur une grande portion du territoire, les minerais pisolithiques possédaient une forte teneur en fer d'où leur utilisation massive dans les hauts fourneaux. Toujours dans cette région, (...) Les minerais de Pesmes et d'Autrey sont ceux qui fournissent les meilleures fontes et les meilleurs fers. Ce sont eux qui ont fondé principalement la réputation des fontes et des fers de Franche-Comté, et il suffit qu'ils soient entrés, dans une certaine proportion, dans le lit de fusion du haut-fourneau pour que la fonte soit cotée sur les marchés à un prix d'autant plus élevé que la proportion a été plus grande... On doit porter au moins à 29 000 hectares la superficie du sol renfermant le minerai de fer, et pouvant fournir au moins 80 millions de tonnes de minerai propre à la fusion dont un sixième environ a été consommé depuis trois siècles. Si la consommation conservait la proportion qu'elle a atteinte dans les dernières années (avant 1835), ce gisement pourrait encore suffire pendant 500 ans (ADHS, A 13-26 p. 4).

41Une centaine de gîtes étaient encore en exploitation vers 1830 (fig. 34) (Blanc, 1843, tome II, pp. 196-198).