Comme la plupart des marges de la mer Méditerranée, la péninsule des Balkans présente une géologie complexe, due au fait qu’il s’agit de la zone de jonction de plusieurs boucliers anciens et qu’elle se situe à la limite, très fragmentée, des plaques tectoniques africaine et eurasiatique. Elle est formée pour partie par un bâti hercynien, voire antérieur, et pour partie par des régions appartenant à la Téthys alpine, à ses talus continentaux et à la bordure de la plateforme carbonatée arabo-africaine.
Durant le Mésozoïque, la péninsule se trouvait dans l’océan Téthys dont la mer Méditerranée est un vestige, et constituait au sein de celui-ci, avec l’Anatolie, un archipel semblable à ce qu’est aujourd’hui l’Insulinde, appelé Balkanatolia. L’ensemble a été violemment resserré entre les plaques africaine, eurasiatique et anatolienne, lors des phases orogéniques himalayo-alpines, qui ont entraîné la fracture de la plaque eurasiatique, créant la micro-plaque égéenne et d’immenses nappes de charriage constituées de calcaires et flyschs plissés entre les massifs cristallins et métamorphiques14.
Le rapprochement entre les plaques a fait surgir les monts Dinariques, le Pinde, l’Olympe, les Balkans et le Rhodope. Ce mouvement tectonique de 4 cm par an en moyenne a aussi fait surgir des volcans comme le mont Théra (dans l’île du même nom qui s’est effondrée à la suite d’une importante éruption au IIe millénaire avant notre ère et qui est encore actif : un nouveau cône s’élève au centre de la caldeira). Le volcanisme jadis bien plus intense a laissé de nombreuses intrusions de roches magmatiques dans toute la péninsule, où les sources thermales sont nombreuses.
Deux failles restent très actives : la première parcourt l’Égée d’est en ouest (de Rhodes à l’ouest de la Crète) puis remonte le long du Péloponnèse jusqu’à Corfou ; la seconde va des Dardanelles aux Sporades puis rejoint le golfe de Corinthe. Le mouvement alpin et les charriages se sont manifestés durant les trois derniers millions d’années par l’apparition de nombreuses failles et fossés d’effondrement, provoquant des tremblements de terre réguliers : la moitié des secousses annuelles en Europe ont lieu dans les Balkans et surtout en Grèce.
C’est dans ce cadre géomorphologique que s’est mis en place le réseau hydrographique actuel. À la fin de la glaciation de Würm, la remontée des mers d’une centaine de mètres a dessiné les côtes actuelles, ainsi que les plaines littorales et les deltas des fleuves.
Concernant les divisions géologiques-géographiques on parle généralement, chez les géologues, de « Dinarides » pour la partie occidentale de la péninsule (boucliers pannonien et adriatique, et leurs marges), et d’« Hellénides » pour la partie orientale (boucliers moesien, hellénide et anatolien et leurs marges). Les marges des boucliers anciens ont été soulevées lors de l’orogenèse alpine, et la péninsule est quadrillée de failles secondaires mais tectoniquement toujours actives.
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