Sur le plan de la géologie, l’extrémité occidentale des Alpilles présente un enveloppement par de la molasse burdigalienne.
Le burdigalien fait partie de l’époque géologique du Miocène et s’étend de -20 à -16 millions d’années. (Burdigala est le nom antique de Bordeaux).
Sur le site d’implantation de la chapelle, les géologues ont observé une molasse burdigalienne à statification entrecroisée, résultat d’une sédimentation en bord de bassin. Pendant le Miocène, l’aire actuellement surélevée des Alpilles était en position abaissée par rapport au secteur durancien et à la Crau. Saint-Gabriel est situé en rebord de cette ancienne dépression avec une sédimentation en mer chaude soumise à l’action des courants fluviatiles.
Dans ce lieu, l’affleurement burdigalien est continu et la molasse recouvre le Crétacé inférieur du demi-anticlinal des Alpilles ainsi que l’Éocène et le Crétacé supérieur du synclinal des Baux. Ces dépôts molassiques ont été déformés par un rajeunissement des reliefs antémyocènes.
Cette géologie locale explique les nombreuses carrières d’extraction de la pierre calcaire, dont les carrières de Saint-Gabriel : elles étaient exploitées à l’époque de la présence romaine en Provence. Ainsi a-t-on trouvé dans les limons de fond du Rhône au niveau d’Arles un bateau ayant coulé avec à son bord des pierres en provenance des Carrières de Saint-Gabriel. Le bateau est actuellement exposé au Musée Arles Antique.
La chapelle est construite avec de la pierre extraite in situ. Les pierres des dernières marches d’accès, taillées dans un calcaire chargé en fossiles de coquilles, ont cependant une autre origine.
L’alluvionnement fut très important au niveau du Rhône pendant une des périodes de transgression marine (montée des eaux après la dernière grande glaciation). Il a produit un bourrelet alluvionnaire si important qu’il va empêcher l’écoulement des eaux de la dépression Barbegal-Mouriès, créant ainsi une zone marécageuse persistante qui englobe le secteur du pied des Alpilles au niveau de Saint-Gabriel.
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