Entre le niveau de la rue et celui des Catacombes se succèdent des couches de roches représentant environ 45 millions d’années.

À cet âge géologique, Paris et ses environs étaient recouverts d’une mer tropicale. Sur son fond marin se sont accumulés plusieurs mètres de sédiments et de boues qui sont devenus calcaires avec le temps. Le niveau des Catacombes correspond à ce banc de calcaire qui représente la période appelée « Lutétien », en référence au nom de Paris à l’époque romaine, Lutetia. Daté de 48 à 40 millions d’années dans l’échelle géologique, ce banc est réparti entre le Lutétien supérieur, moyen et inférieur. Les carrières occupent les niveaux supérieur et moyen, tandis qu’au sein du parcours de l’ossuaire, un puits à eau surnommé « bain de pieds des carriers » descend jusqu’au niveau inférieur.

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C’est cet endroit précis, où toutes les strates du banc ont été identifiées et décrites, qui est devenu une référence internationale en matière d’étage géologique. 

Le Lutétien est aussi constitué de restes fossilisés d’une grande biodiversité marine. Parmi les créatures répertoriées figure le plus grand gastéropode de tous les temps, le Campanile giganteum, mesurant jusqu'à 70 cm de longueur. Au fur et à mesure du retrait de la mer, la faune marine a laissé des dépôts riches de fossiles dans les bancs de calcaire composés de cérithes et de gastéropodes, que l’on retrouve aujourd’hui dans le parcours des Catacombes. 

Une grande variété de sédiments sont présents à Paris, fournissant d’importantes quantités de matériaux de construction depuis l’Antiquité, à partir de sable, grès, argile et gypse. Pourtant, c’est bien le calcaire lutétien, dit « pierre de Paris », qui a fourni l’essentiel de la pierre de construction jusqu’au début du XXe siècle. Cette pierre de bonne qualité commence à être exploitée dès l’Antiquité dans des carrières à ciel ouvert, sur les affleurements naturels dans la vallée de la Bièvre, et est mise en œuvre dans les monuments de Lutèce. Après un abandon partiel à l’époque mérovingienne, l’extraction devient à nouveau nécessaire au Moyen Âge, quand sont entrepris les grands chantiers parisiens de constructions d’églises, du château du Louvre et de l’enceinte de la ville. 

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Les anciennes carrières devenues trop profondes évoluent progressivement vers une exploitation souterraine avec le creusement de galeries qui atteignent les bancs plus lointains dans la roche. Des piliers tournés sont laissés en place afin de soutenir le terrain et, au XVe siècle, un système de puits permet de remonter la pierre plus facilement.

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La méthode d’exploitation par hague et bourrage est mise au point à la fin du Moyen Âge. Elle consiste à extraire toute la pierre de la carrière sans laisser de partie en soutien, puis de la consolider en construisant des piliers dits « piliers à bras ». Entre ceux-ci, des murets de pierres appelés « hagues » sont montés pour contenir les remblais de taille et faciliter la circulation dans la carrière. Malheureusement, le creusement de ces galeries est peu régulé par les autorités parisiennes ; les carrières de Paris seront définitivement condamnées par le décret du 15 septembre 1776, suite à de nombreux effondrements au cœur de la ville. 

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"Paris, effondrement d’une maison située passage Gourdon, au-dessus des Catacombes"
© Musée Carnavalet / Roger-Viollet