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Le sous-sol est formé par la molasse d’eau douce, constituée d'une alternance de couches tendres et de bancs rocheux (les poudingues du Mont-Pèlerin ou les grès de la Cornalle), soubassement sur lequel le glacier du Rhône a abandonné des débris morainiques lors de son retrait.
L’histoire géologique de Lavaux est intimement liée à la formation de la chaîne alpine et aux dernières glaciations. Elle se résume en trois épisodes principaux :
- le dépôt des couches sédimentaires de la molasse, qui forment aujourd’hui les affleurements rocheux caractéristiques du paysage viticole de Lavaux ;
- la formation des Alpes, qui va déplacer et déformer les couches de molasse;
- les grandes glaciations, qui vont creuser le bassin lémanique.
Molasse
Les roches qui constituent le soubassement de Lavaux appartiennent à la molasse, vaste ensemble de roches sédimentaires formées au front de la chaîne alpine lors de sa formation. La molasse s’est déposée à l’ère tertiaire, entre 34 et 7 millions d’années. Dans Lavaux, seule la molasse d’eau douce inférieure affleure. La molasse marine inférieure se trouve plus en profondeur.
La molasse d’eau douce inférieure est particulièrement riche en fossiles, préservés essentiellement dans les couches formées de roches tendres, comme les marnes ou les charbons : des fossiles de végétaux, mais aussi de vertébrés (crocodiles ou tortues) et d’invertébrés (escargots ou moules lacustres) ont été découverts. Le gisement du Moulin-Monod a en particulier livré, au milieu du XIXe siècle, des milliers de spécimens de végétaux comprenant 145 espèces, dont 75 étaient nouvelles pour la Suisse et 44 entièrement nouvelles pour la science.
Dépôts glaciaires
A l’exception de la molasse de l’ère tertiaire, les autres formations géologiques de Lavaux datent de l’ère quaternaire (1,75 million d’années à aujourd’hui). Seuls des dépôts remontant à la dernière période glaciaire (le Würm, 100 000-15 000 ans) sont présents, puisque le dernier glacier a balayé presque tous les dépôts des glaciations précédentes.