Reconstitution de l’histoire géologique d’une région sédimentaire

A partir de l’étude des roches sédimentaires, nous avons pu reconstituer la carte paléogéographique d’une région donnée à un moment donné, mais un ensemble d’événements biologiques (l’émergence ou la disparition d’organismes vivants) et géologiques (plissement, érosion, failles …) peuvent êtres enregistré par les roches présentes à la surface de la terre, et leurs étude permet de reconstituer l’histoire géologique d’une région sédimentaire.

Comment l’étude des roches permet-elle de reconstituer l’histoire géologique d’une région sédimentaire ?

Comment subdivise-t-on le temps géologique ?

I – La datation relative des couches géologiques

1 – Caractéristiques des roches sédimentaires

Les sédiments se déposent en couches successives dont la composition, la taille des particules, la couleur, etc., varient dans le temps selon la nature des sédiments apportés. C’est ce qui fait que les dépôts sédimentaires sont stratifiés et que les roches sédimentaires issues de ces dépôts composent les paysages stratifiés.

2 – Les principes stratigraphiques et la datation relative des formations géologiques.

La datation relative regroupe l’ensemble des méthodes de datation permettant d’ordonner chronologiquement des événements géologiques ou biologiques, les uns par rapport aux autres. Elle repose sur plusieurs principes géologiques :

     a –Les principes liés aux rapports géométriques entre objets géologiques

  1. Le principe de continuité :Une couche stratigraphique a le même âge sur toute son étendue, en d’autres termes une couche sédimentaire comprise entre un plancher et un toit a le même âge sur toute son étendue.

2. Le principe de superposition :  Une couche sédimentaire est plus récente que la couche quelle recouvre et plus ancienne que celle qui la recouvre. Ce principe fait référence au concept d’âge relatif.

https://blogpeda.ac-bordeaux.fr/

Pour connaître les conditions nécessaires pour l’application du principe de superposition, on propose les documents suivants :

Le document 1 montre des couches superposées, le document 2 montre un terrain déformé (plis ) alors que le document 3 présente une terrasse fluviatile étagée.

Document 1

Document 2

Document 3

1 –En vous basant sur le document 1, redonnez l’ordre chronologique des couches sédimentaires .

2 – A partir des documents 2 et 3, discutez l’applicabilité du principe de superposition.

3 –Déduisez les conditions nécessaires pour l’application du principe de superposition.  

1 –  Les couches G, F, E, D, C, B et A sont superposés, la couche G est la plus ancienne et la couche A est la dernière déposée donc la plus récente .

L’ordre chronologique : G, F, E, D, C, B, et A

2 – Dans les terrains déformés (plis ) et dans les terrasses fluviatiles étagées, on ne peut pas appliquer le principe de la superposition parce que les couches les plus anciennes se situent au sommet.

3 – Ce principe n’est valable qu’à deux conditions :

  • les couches se sont disposées horizontalement,
  • les couches n’ont pas été retournées par des événements tectoniques ultérieurs.

4. Le principe de recoupement : Une couche stratigraphique est toujours plus vieille que les failles ou les roches qui la recoupent et qui se seraient introduites plus tard dans l’histoire géologique de ce sol.

5. Le principe d’inclusion : Les éléments inclus dans un autre élément sont plus anciens que leur contenant. « le contenu est plus vieux que le contenant ».

Enclave de granite hercynien dans un basalte quaternaire

Source - © 2002 Pierre Thomas

Le document suivant montre une coupe géologique simplifiée.

1 –En vous basant sur le document, redonnez l’ordre chronologique des roches illustrées dans la coupe géologique.

1 –  Les roches (1) sont plus anciennes que la couche 2 qui se sédimente avant la couche 3.

Exercice 1:

Le document suivant montre une coupe géologique.

A, B. C. D et E ( strates sédimentaires ) ; F ( faille ) ; G ( dyke ) ; H ( intrusion )

1 –En vous basant sur les différents principes stratigraphiques, redonnez l’ordre chronologique des évènements géologiques.

2 –Déterminez les différents principes stratigraphiques utilisés dans la datation relative des évènements géologiques illustrés dans ce document. 

1 –  Les couches E, D, C, A et B sont superposés, la faille F recoupe toutes ces strates, elle est donc plus récente, le dyke G recoupe la faille F, il est donc plus récent, enfin l’intrusion H recoupe le dyke G qui est donc plus ancien.

Ordre chronologique : E, D, C, A, B, F, G et H

2 – Il s’agit des principes de superposition et de recoupement.

Exercice 2:

Le document suivant montre une coupe géologique.

1 granite  /  2 auréole de métamorphisme (provoquée par l’intrusion du magma)  /  3, 4, 5, 6 formation sédimentaire B : schistes et calcaires  /   7, 8, 9 formation sédimentaire A : sédiments marins  /   10 basalte   /    F faille

1 –Redonnez l’ordre chronologique des évènements géologiques illustrés dans ce document. 

b –Le principe d’identité paléontologique

Deux couches sédimentaires éloignées l’une de l’autre contenant les mêmes fossiles stratigraphiques sont considérées comme ayant le même âge, même en cas de différence de nature des roches.

Les deux couches A et B ont le même fossile stratigraphique, elles ont donc le même âge.

Dans ce principe, seuls les fossiles stratigraphiques sont utilisables. Ils répondent à ces critères bien précis :

  • ce sont des espèces qui présentent une grande abondance.
  • ce sont des espèces qui ont une courte durée d’existence, idéalement moins d’un million d’années. 
  • ces espèces doivent avoir une grande extension géographique par le fait que ce soit des espèces pélagiques capables de se disperser, permettant ainsi une corrélation entre strates à l’échelle du globe.

Exemple : les ammonites, les trilobites, les foraminifères

© Wikimedia Commons

Afin d’affiner la datation, il est nécessaire d’utiliser plusieurs fossiles stratigraphiques.

Exercice :

Prenons un assemblage de fossiles A, B, C, D et E qui se trouvent dans une même couche sédimentaire.

1 –En exploitant le document, déterminez l’âge de cette couche sédimentaire.

1 –  Si on sait que A est connu du Silurien inférieur au Carbonifère inférieur, que B est connu du Dévonien inférieur au Carbonifère supérieur, que C a une durée de vie très longue qui va de l’anté-Ordovicien au post-Carbonifère, que D a vécu de l’Ordovicien supérieur au Dévonien inférieur et E du Silurien supérieur au Dévonien supérieur, la seule période où ces cinq espèces ont pu coexister est le Dévonien inférieur.
En conséquence, la couche qui contient cette association de fossiles date du Dévonien inférieur.


Aucune de ces espèces fossiles prises individuellement n’aurait pu fournir un âge aussi précis.

N.B Il existe d’autres types de fossiles appelés fossiles de faciès et qui permettent de se renseigner sur le milieu et les conditions de sédimentation des roches dans lesquelles on les trouve.

Exemple : les Coraux qui signent un milieu récifal caractérisé par une eau peu profonde, claire, relativement chaude et bien oxygénée. Leur présence indique un climat de type tropical.

Coraux fossiles (Photo par Jon Sullivan de Pixnio)

II-Le cycle sédimentaire et l’échelle stratigraphique 

1 – Notion de stratotype et d’étage stratigraphique

Le stratotype est un affleurement constitué de couches fossilifères qui sert de référence pour définir un étage donné de l’échelle stratigraphique. Le nom de l’étage prend souvent le nom du lieu géographique où se trouve le stratotype auquel on ajoute le suffixe (ien). Il représente un intervalle de temps précis. Par exemple, l’étage Maastrichtien (Maastricht ville des Pays-Bas) est le dernier étage stratigraphique du Crétacé, entre 72,1 ± 0,2 et 66 millions d’années

L’étage est l’unité chronostratigraphique fondamentale en géologie qui corresponde à une unité géochronologique appelé « âge », généralement de l’ordre de quelques millions d’années (moyenne = 5,7 Ma).

2 Notion de discordances géologiques et lacunes stratigraphiques

Lorsque les surfaces entre bancs successifs sont parallèles les unes aux autres, les couches sont dites concordantes. Si des terrains superposés à d’autres ne sont pas parallèles aux précédents, on dit qu’il y a discordance angulaire entre eux. Les discordances peuvent s’expliquer par des lacunes de sédimentation.

Lorsqu’il n’y a pas de continuité chronologique entre deux couches (absence totale ou partielle d’une ou plusieurs couches), on parle de lacune. Il y a deux types de lacunes :

  • Lacune d’érosion : l’érosion a enlevé des couches, puis la sédimentation a repris en laissant la lacune.
  • Lacune de sédimentation : pendant la période correspondant à la durée de la lacune, la sédimentation s’est interrompue. Cela peut être dû à une régression marine.

Les lacunes stratigraphiques constituent les limites des stratotypes, ce qui facilite la détermination des divisions chronostratigraphiques (les étages).

http://www2.ggl.ulaval.ca/

3 – Le cycle sédimentaire

Les temps géologiques ont connu une alternance des phases de transgression et de régression des mers anciennes sur les continents. Un cycle sédimentaire désigne l’ensemble des phénomènes sédimentaires accomplis entre une transgression et la régression suivante.

Les documents suivants montrent les dépôts sédimentaires d’une série régressive et d’une série transgressive. 

  1. Définissez la transgression et la régression marine.
  2. Montrez qu’il y a un granoclassement horizontal des sédiments marins.
  3. Schématisez les colonnes stratigraphiques X  et Y.
  4. Dégagez les caractéristiques des séries transgressive et régressive.

1 – La transgression marine désigne l’avancée du trait de côte sur le continent, provoquée par une élévation relative du niveau de la mer. Au contraire, le déplacement du trait de côte en direction de la mer, résultant d’un abaissement relatif du niveau de la mer, s’appelle une régression.

2 – Les sédiments détritiques apportés se déposent par gravité: les plus gros près du rivage, les plus fins sont transportés plus loin, les sédiments carbonatés se déposent sur la marge continentale. Il y a donc un granoclassement horizontal.

3 –

4 – Une série transgressive se caractérise par:   

– un granoclassement décroissant des éléments détritiques du bas en haut. Elle est surmontée par des sédiments carbonatés. (séquence positive)
– la succession du bas en haut de strates représentant des milieux de sédimentation de plus en plus profonds. 

– Une série régressive se caractérise par : 
– un granoclassement croissant des éléments détritiques du bas en haut. Elle est surmontée par des sédiments détritiques grossiers.(séquence négative).
-la succession du bas en haut de strates représentant des milieux de sédimentation de moins en moins profonds. 

Le document suivant montre une succession de deux séries sédimentaire, une série transgressive suivie d’une série régressive formant un cycle sédimentaire.

5. Décrivez les caractéristiques de ce cycle sédimentaire.

5 – Au cours du cycle sédimentaire les dépôts régressives couvrent les dépôts transgressives, les sédiments détritiques limitent la série du bas et du haut, et les sédiments carbonatés se situent au milieu.

4 – Les subdivisions des temps géologiques 

Pour dater les évènements intervenus durant la longue histoire de la Terre, de sa création à l’actuelle, on utilise une échelle des temps géologiques. 

Les coupures dans les temps géologiques sont établies sur plusieurs critères :

  • Des critères paléontologiques : l’apparition ou la disparition de groupes fossiles. Ce sont des crises biologiques de plus ou moins grande ampleur qui découpent les temps géologiques, ces crises permettent aussi de délimiter les temps géologiques. 

Le document suivant montre la variation de la diversité du milieu marin au cours des derniers 600 millions d’années. Les flèches indiquent les grandes crises (le moment de l’extinction des groupes).

Le document 2 montre les « cinq grandes » crises des temps fossilifères. 

https://www.encyclopedie-environnement.org/vivant/extinctions-massives-temps-geologiques/ (Adapté de Barnosky et al.).

En exploitant les documents 1 et 2,

   1. Décrivez la variation de la diversité du milieu marin au cours des derniers 600 millions d’années.

   2. Datez les crises biologiques numérotées et indiquez le pourcentage d’espèces qui ont disparu au cours de chacune de ces crises.

   3. Déduisez, l’importance des crises biologiques dans la subdivison des temps géologiques.  

   4. Dégagez du document 2, les causes possibles des crises biologiques.

1. Au cours des temps géologiques, il y a une augmentation progressive de la diversité du milieu marin, mais il y a  des moments, on observe des chutes soudaines de cette biodiversité sur une courte durée à l’échelle des temps géologiques, suite à la disparition brutale d’une partie des groupes d’organismes. Après chaque crise on observe une augmentation de la biodiversité.

2. La crise 1 : Fin Ordovicien (environ 435 millions d’années) avec la disparition de 86% d’espèces

La crise 2 : Fin Dévonien  (environ 360 millions d’années) avec la disparition de 75% d’espèces

La crise 3 : Permien – Trias (environ 245 millions d’années)  avec la disparition de 96% d’espèces

La crise 4 : Trias – Jurassique (environ 205 millions d’années) avec la disparition de 80% d’espèces

La crise 5 : Crétacé – Paléogène (environ 65 millions d’années) avec la disparition de 76% d’espèces

3. Les crises biologiques peuvent êtres utilisées pour le découpage des temps géologiques en périodes et ères de durées variable Ainsi, l’ère secondaire (du Trias au Crétacé) est précédée de la crise Permo-Trias et se finit par la crise Crétacé-Tertiaire. D’autres crises ont également permis de réaliser des coupures à l’intérieur des ères.

4. Les crises sont probablement la conséquence de l’impact des météorites ou d’activité volcanique intense ou changements climatiques ou changement du niveau marin. 

  • Les Cycles orogéniques ou cycles tectoniques:

Les mouvements des plaques tectoniques entraînent la formation puis disparition de domaine sédimentaires (océan), mais aussi la formation des chaînes de montagnes puis leur destruction, par l’érosion, c’est la fin d’un cycle tectonique. Un tel  cycle orogénique comprend en général trois phases :

  • sédimentation dans un bassin sédimentaire ;
  • orogenèse, cestà-dire plissement des sédiments accumulés dans le bassin sédimentaire et surrection dune chaîne de montagnes 
  • pénéplanation de la chaîne montagneuse.

L’histoire du globe terrestre a connu plusieurs cycles tectoniques qui sont utilisés dans la subdivision des temps géologiques (cycle cadomien, cycle calédonien, cycle hercynien, cycle alpin).

Echelle stratigraphique et échelle chronostratigraphique

La stratigraphie a mis en évidence des repères permettant de délimiter des étages, unité de base de l’échelle stratigraphique. Ces derniers sont regroupés en séries puis en systèmes. Les systèmes sont regroupés en érathèmes et enfin les érathèmes en éonothèmes. L’échelle stratigraphique définit des repères mais ne définit pas la notion de temps, or une couche sédimentaire se dépose avec une certaine vitesse. 

La chronostratigraphie est une branche de la stratigraphie dont l’objet est l’étude de l’âge des strates. La communauté internationale a mis au point une échelle de référence combinant l’échelle relative des stratigraphes et toutes les données provenant des autres méthodes géochronologiques (dont la radiochronologie). Cette échelle porte le nom d’échelle chronostratigraphique ou échelle des temps géologiques. 

Une échelle chronostratigraphique ou échelle des temps géologiques permet de classer chronologiquement les divers événements/étages géologiques qui sont intervenus depuis l’origine de la Terre jusqu’à nos jours. L’histoire de la Terre a ainsi été fractionnée en différentes tranches de temps : éon, ère, période, époque, âge.

On définit le temps de dépôt d’un étage par un âge. Le temps de dépôt d’une série (plusieurs étages) sera une époque. Le temps de dépôt pour un système (plusieurs séries) correspondra à une période. Le temps de dépôt pour un érathème (plusieurs systèmes) sera qualifié d’ère et celui pour l’éonothème (plusieurs érathèmes) sera qualifié d’éon.

Le tableau suivant montre un comparatif des termes employés en stratigraphie et chronostratigraphie 

Pour mettre des dates sur les limites ainsi définies, on utilise la chronologie absolue, méthode de datation des minéraux et des roches cristallisées par les techniques radiométriques basées sur la désintégration radioactive d’éléments instables.

Les méthodes les plus courantes sont : Uranium / Plomb, Rubidium / Strontium , Potassium / Argon , Carbone 12 et 14 .
Ce sont les techniques qui ont permis de donner des âges absolus aux limites des subdivisions.

Les documents suivants montrent les divisions de l’échelle stratigraphique

  CHARTE CHRONOSTRATIGRAPHIQUE INTERNATIONALE INTERACTIVE : Voir le lien

sitographie :   2      4   5   6  7