L'échelle stratigraphique

Résumé en cinq points

Notions et mécanismes

Les principes de la stratigraphie

La chronologie relative repose sur un petit nombre de principes, qu'il faut savoir énoncer avec leurs conditions d'application.

Le principe de superposition. Dans une série sédimentaire non déformée, une couche est plus récente que celle qui la supporte et plus ancienne que celle qui la recouvre. La condition est essentielle : il faut s'assurer que la série n'a pas été renversée par la tectonique, ce que l'on vérifie par des critères de polarité comme les figures sédimentaires ou le sens de granoclassement.

Le principe d'horizontalité originelle et de continuité latérale. Les sédiments se déposent en couches initialement subhorizontales et continues. Une couche inclinée ou plissée a donc été déformée après son dépôt, et une même couche suivie latéralement a le même âge sur toute son extension, dans la limite du bassin.

Le principe de recoupement. Toute structure qui en recoupe une autre lui est postérieure. Cela vaut pour une faille qui décale des couches, pour un filon qui traverse une série, pour une surface d'érosion qui tronque des terrains.

Le principe d'inclusion. Un fragment inclus dans une roche est plus ancien que la roche qui le contient. C'est le cas des galets d'un conglomérat ou des enclaves d'un granite.

Le principe d'identité paléontologique. Deux couches contenant le même assemblage de fossiles caractéristiques ont le même âge, même si elles sont géographiquement éloignées et de lithologies différentes. C'est ce principe qui permet la corrélation à grande distance.

Les discontinuités et ce qu'elles enregistrent

Une série sédimentaire n'est pas un enregistrement continu. Les interruptions sont des informations à part entière.

Une lacune est l'absence d'un intervalle de temps dans la série, soit parce qu'il n'y a pas eu dépôt, soit parce que les dépôts ont été érodés. Une surface d'érosion sépare alors deux ensembles.

Une discordance angulaire apparaît lorsque des couches horizontales reposent sur des couches inclinées ou plissées, tronquées par l'érosion. Sa lecture est très riche : elle enregistre successivement un dépôt, une déformation tectonique, une érosion, puis une reprise de la sédimentation. Elle date donc la déformation entre l'âge des couches les plus récentes déformées et l'âge des couches les plus anciennes non déformées.

Un paléosol, une surface durcie, une surface de ravinement témoignent également d'interruptions et d'émersions.

Unités stratigraphiques et stratotypes

Découper le temps géologique suppose de définir des unités. Plusieurs points de vue coexistent.

Une unité lithostratigraphique regroupe des terrains d'après leurs caractères lithologiques, par exemple une formation de calcaires en bancs. Elle n'a pas les mêmes limites d'âge partout, puisqu'un même faciès peut migrer dans le temps.

Une unité biostratigraphique, ou biozone, est définie par la présence d'un ou de plusieurs taxons fossiles.

Une unité chronostratigraphique correspond à un intervalle de temps, avec une hiérarchie de rangs emboîtés, du plus petit au plus grand : étage, série, système, érathème. À chacun correspond une unité de temps, respectivement âge, époque, période, ère.

La définition d'une unité chronostratigraphique passe par le choix d'une référence appelée stratotype. C'est une coupe réelle, choisie et décrite dans une région donnée, qui sert de définition matérielle de l'unité ou de sa limite. Tous les géologues du monde s'y réfèrent, ce qui garantit que le même nom désigne partout le même intervalle de temps. La connaissance des différents types de stratotypes n'est pas au programme.

Fossiles stratigraphiques et fossiles de faciès

L'utilisation des fossiles répond à deux objectifs distincts, qu'il ne faut jamais confondre.

Un fossile stratigraphique, ou fossile caractéristique, sert à dater. Le bon fossile stratigraphique réunit quatre qualités : une large répartition géographique, ce qui permet les corrélations à grande distance, une durée d'existence brève à l'échelle des temps géologiques, ce qui donne une bonne résolution, une grande abondance, ce qui rend sa découverte probable, et une indépendance vis-à-vis du milieu de dépôt, ce qui suppose en général un mode de vie nectonique ou planctonique. Il doit enfin être facilement reconnaissable.

Un fossile de faciès sert à reconstituer un paléoenvironnement. Il est étroitement lié à des conditions écologiques précises, souvent parce qu'il est benthique et fixé. L'exemple type est le corail constructeur, qui indique une mer chaude, peu profonde, claire et bien oxygénée. Sa valeur stratigraphique est faible puisqu'il réapparaît chaque fois que les conditions le permettent, mais sa valeur environnementale est forte.

Les groupes dont les caractères principaux sont à connaître sont limitativement énumérés par le programme. Les Trilobites, arthropodes marins à exosquelette divisé en trois lobes longitudinaux et en trois régions transversales, présents durant le Paléozoïque. Les Ammonoïdés, céphalopodes à coquille cloisonnée enroulée dans un plan, dont les lignes de suture dessinent des motifs complexes, excellents fossiles stratigraphiques du Paléozoïque supérieur au Mésozoïque. Les Bivalves, mollusques à deux valves symétriques l'une de l'autre par rapport au plan de commissure, le plus souvent benthiques filtreurs. Les Gastéropodes, mollusques à coquille univalve enroulée en hélice. Les Foraminifères benthiques, dont les Nummulitidés, grands tests lenticulaires caractéristiques des mers chaudes et peu profondes du Paléogène. Les Foraminifères planctoniques, dont les Globotruncanidés, caractéristiques du Crétacé, et les Globigérinidés, du Cénozoïque.

Les crises biologiques comme repères mondiaux

Une crise biologique est une extinction massive : la disparition, en un temps court à l'échelle géologique, d'une proportion importante des taxons présents, à l'échelle de la planète et dans des milieux variés.

Ces évènements ont trois propriétés qui en font d'excellents repères. Ils sont brefs, ce qui donne une limite nette. Ils sont mondiaux, ce qui permet une corrélation universelle. Ils sont enregistrés par un changement franc du contenu fossilifère, immédiatement repérable sur le terrain. C'est pourquoi les grandes coupures de l'échelle stratigraphique coïncident avec elles, et c'est ce que le programme demande de justifier.

Cinq crises majeures jalonnent le Phanérozoïque, à la fin de l'Ordovicien, au cours du Dévonien supérieur, à la fin du Permien, à la fin du Trias, et à la fin du Crétacé. Celle de la fin du Permien est la plus sévère, avec la disparition de la grande majorité des espèces marines et, entre autres, celle des Trilobites. Celle de la fin du Crétacé voit disparaître les Ammonoïdés, les Globotruncanidés, les rudistes, les grands reptiles marins et les dinosaures non aviens.

Les causes sont généralement multiples et couplées, associant activité interne de la Terre et processus de surface. Les facteurs classiquement invoqués sont un volcanisme massif de type trapps, qui injecte des gaz dans l'atmosphère et modifie le climat et la chimie des océans, un impact météoritique, dont témoignent pour la limite Crétacé-Paléogène une anomalie mondiale en iridium, des quartz choqués et des microsphérules, des variations climatiques brutales, des épisodes d'anoxie océanique, et des variations importantes du niveau marin qui réduisent les surfaces de plateforme.

Chaque crise est suivie d'une radiation évolutive. La libération de niches écologiques permet à des groupes jusque-là discrets de se diversifier rapidement. La diversification des mammifères et celle des Globigérinidés au Cénozoïque en sont deux illustrations classiques. Extinction et radiation forment donc un couple, et c'est ce couple qui donne à la limite son caractère de coupure majeure.

L'échelle et les noms à connaître

L'échelle stratigraphique est hiérarchisée. Le programme limite la mémorisation des noms aux périodes. Pour le Paléozoïque : Cambrien, Ordovicien, Silurien, Dévonien, Carbonifère, Permien. Pour le Mésozoïque : Trias, Jurassique, Crétacé. Pour le Cénozoïque : Paléogène, Néogène, Quaternaire. Avant le Cambrien s'étend le Précambrien, qui représente à lui seul près de neuf dixièmes de l'histoire de la Terre.

Les âges chiffrés relèvent du chapitre suivant, mais il est commode de retenir dès maintenant les trois limites d'ères du Phanérozoïque, d'environ 540 millions d'années pour la base du Paléozoïque, 252 millions d'années pour la limite Permien-Trias et 66 millions d'années pour la limite Crétacé-Paléogène.

Exemples et objets de référence

Une coupe type à savoir analyser : une série de couches inclinées, tronquée par une surface d'érosion, surmontée en discordance par des couches horizontales, l'ensemble étant recoupé par une faille qui décale la surface de discordance, puis traversé par un filon qui recoupe la faille. La chronologie se lit alors sans ambiguïté, dépôt de la série inférieure, basculement, érosion, dépôt de la série supérieure, jeu de la faille, mise en place du filon.

Une carte géologique où les auréoles d'affleurement traduisent la géométrie d'ensemble, et où l'analyse des contacts, normaux, faillés ou discordants, permet de reconstituer l'histoire régionale.

La limite Crétacé-Paléogène observée sur une coupe : un niveau argileux centimétrique riche en iridium, la disparition brutale des Globotruncanidés et des Ammonoïdés sous ce niveau, l'apparition au-dessus de formes planctoniques petites puis diversifiées.

Une plaque de calcaire à Nummulites, dont les tests lenticulaires visibles à l'œil nu indiquent à la fois un âge paléogène et un milieu de plateforme chaude peu profonde, ce qui illustre qu'un même fossile peut apporter les deux types d'information.

Méthodes et savoir-faire

Dater relativement deux évènements géologiques. La méthode est toujours la même. Inventorier les objets présents, couches, failles, filons, surfaces. Choisir pour chaque couple le principe applicable, superposition, recoupement ou inclusion. Énoncer explicitement le principe utilisé dans la rédaction, car c'est là-dessus que porte la notation. Construire enfin une chronologie ordonnée du plus ancien au plus récent.

Dater une déformation à l'aide d'une discordance, en encadrant son âge entre les terrains déformés et les terrains non déformés.

Utiliser les fossiles pour dater. Vérifier d'abord que le fossile considéré possède les qualités d'un fossile stratigraphique, puis croiser plusieurs taxons afin de resserrer l'intervalle, l'âge retenu étant l'intersection des intervalles d'existence.

Utiliser les fossiles pour reconstituer un paléoenvironnement, en s'appuyant sur les exigences écologiques connues des formes actuelles apparentées, et en croisant avec les indices sédimentologiques, faciès, figures, granulométrie.

Justifier un découpage stratigraphique à partir de données de crise biologique. Lire une courbe de diversité, repérer la chute brutale, en apprécier l'ampleur et la durée, vérifier le caractère mondial et pluritaxonomique, puis conclure que la limite constitue un repère utilisable partout.

Ce qu'il faut savoir mobiliser en colle et à l'écrit

1. Énoncer les cinq principes de la stratigraphie avec leurs conditions d'application, et savoir dire ce qui invalide chacun.
2. Analyser de bout en bout une coupe à discordance angulaire, faille et filon, et en tirer une chronologie complète rédigée.
3. Distinguer fossile stratigraphique et fossile de faciès, et justifier les quatre qualités du bon fossile stratigraphique.
4. Reconnaître et caractériser en quelques mots les groupes fossiles au programme, Trilobites, Ammonoïdés, Bivalves, Gastéropodes, Foraminifères benthiques et planctoniques.
5. Définir une crise biologique et expliquer pourquoi elle fournit une coupure mondiale, avec l'exemple de la limite Crétacé-Paléogène.
6. Expliquer le couplage entre extinction et radiation évolutive.
7. Piège fréquent : appliquer le principe de superposition sans vérifier que la série n'est pas renversée.
8. Piège fréquent : dater avec un fossile de faciès. La présence de coraux indique un milieu, pas un âge.

Notions et mécanismes clés

• Chronologie relative : ordonner des évènements les uns par rapport aux autres, sans leur attribuer d'âge chiffré.
• Superposition : valable seulement si la polarité de la série est établie, c'est-à-dire si l'on sait où est le haut.
• Critères de polarité : granoclassement normal (grains grossiers à la base du banc), stratifications obliques tangentes à la base et tronquées au sommet, figures de charge et moulages d'objets sous le banc, fentes de dessiccation ouvertes vers le haut, terriers qui partent du sommet.
• Continuité latérale : une couche suivie sans interruption a le même âge partout, dans la limite de son bassin et hors variation latérale de faciès.
• Recoupement : l'objet qui recoupe est postérieur à l'objet recoupé (faille, filon, pluton, surface d'érosion).
• Inclusion : un fragment est plus ancien que la roche qui l'emballe (galet, enclave, fossile remanié).
• Identité paléontologique : deux couches au même contenu en fossiles stratigraphiques ont le même âge, quels que soient leur lithologie et leur éloignement.
• Lacune : intervalle de temps non représenté dans une série, par absence de dépôt ou par érosion.
• Discordance angulaire : contact entre une série déformée et tronquée et une série postérieure qui la recouvre. Elle enregistre dépôt, déformation, émersion et érosion, puis reprise de la sédimentation.
• Diachronisme de faciès : un même faciès peut avoir des âges différents d'un endroit à l'autre, par exemple le sable littoral qui migre lors d'une transgression.
• Stratotype : coupe de référence qui définit matériellement une unité chronostratigraphique ou sa limite. Les types de stratotypes sont hors programme.
• Biozone : intervalle de série défini par la présence d'un ou de plusieurs taxons fossiles.
• Fossile stratigraphique : large répartition, durée de vie brève, abondance, indépendance vis-à-vis du milieu, reconnaissance facile.
• Fossile de faciès : exigences écologiques étroites, renseigne sur le milieu et non sur l'âge.
• Crise biologique : extinction massive, brève à l'échelle géologique, mondiale, touchant de nombreux groupes dans des milieux variés.
• Radiation évolutive : diversification rapide des groupes survivants qui occupent les niches libérées.

Chaînes de raisonnement

De la discordance à l'âge d'une déformation. Les couches situées sous la discordance ont été plissées ou basculées, celles du dessus ne l'ont pas été. La déformation est donc postérieure à la couche déformée la plus récente et antérieure à la couche non déformée la plus ancienne. L'âge de la déformation est encadré, et l'encadrement est d'autant plus serré que la lacune est courte.

Du mode de vie à la valeur stratigraphique. Un organisme planctonique ou nectonique flotte ou nage dans la masse d'eau. Il se disperse vite à l'échelle des océans et ses restes tombent sur tous les types de fonds. On le retrouve donc dans des sédiments variés et très éloignés, ce qui en fait un outil de corrélation. Un organisme benthique fixé ne vit que là où le fond lui convient. Sa présence renseigne surtout sur le milieu.

De la durée de vie à la précision. Un taxon qui a existé longtemps est présent dans une grande épaisseur de série et date mal. Un taxon qui a évolué vite, avec des espèces successives brèves, découpe finement le temps. C'est pourquoi les Ammonoïdés, à renouvellement rapide, donnent des biozones de l'ordre du million d'années ou moins.

De la crise biologique à la coupure mondiale. Une crise est brève, donc la limite est nette dans la série. Elle est mondiale et touche des groupes marins comme continentaux, donc la même limite se retrouve dans tous les bassins. Enfin, la disparition de groupes entiers puis l'apparition de nouveaux groupes changent franchement le contenu fossile de part et d'autre, ce qui rend la limite repérable sans mesure chiffrée.

Du volcanisme de trapps à l'extinction. Des émissions massives de basalte libèrent du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre. Les aérosols soufrés refroidissent brièvement le climat, le dioxyde de carbone le réchauffe durablement et acidifie les océans. Le réchauffement réduit la solubilité du dioxygène et favorise l'anoxie océanique. Plusieurs contraintes se cumulent sur les écosystèmes, ce qui illustre le couplage entre activité interne et surface demandé par le programme.

De l'impact à l'effondrement des chaînes alimentaires. Un impact géant éjecte poussières et aérosols qui obscurcissent l'atmosphère. La photosynthèse chute, en premier lieu celle du phytoplancton. Les consommateurs qui dépendent directement de la production primaire s'effondrent, alors que les organismes détritivores ou peu exigeants survivent mieux.

De l'extinction à la radiation. La disparition de groupes dominants laisse des ressources et des milieux inoccupés. Les survivants, souvent de petite taille et généralistes, se diversifient en quelques millions d'années pour les occuper. La limite est donc marquée à la fois par des disparitions en dessous et par des apparitions au-dessus.

Exemples et références à connaître

1. Nicolas Sténon, XVIIe siècle : première formulation des principes de superposition, d'horizontalité originelle et de continuité. Référence historique utile en introduction.
2. La discordance de Siccar Point, en Écosse, décrite par James Hutton à la fin du XVIIIe siècle : des couches du Silurien redressées à la verticale, recouvertes en discordance par des grès du Dévonien. C'est l'exemple fondateur de l'idée de temps long.
3. Alcide d'Orbigny, XIXe siècle : il définit les étages par référence à des coupes de localités françaises. C'est l'origine de la notion de stratotype. Beaucoup de noms d'étages dérivent d'ailleurs d'un lieu, sans que ces noms soient exigibles.
4. La limite Crétacé-Paléogène : anomalie en iridium mise en évidence par l'équipe Alvarez en 1980 dans une coupe italienne, cratère de Chicxulub au Yucatán, environ 180 km de diamètre, et trapps du Deccan en Inde, contemporains à quelques centaines de milliers d'années près. Le point de référence de cette limite a été choisi dans une coupe tunisienne.
5. La crise Permien-Trias, vers 252 Ma : de l'ordre de 90 % des espèces marines disparaissent, dont les derniers Trilobites. Elle est contemporaine des trapps de Sibérie.
6. Les autres grandes crises : fin de l'Ordovicien, liée à une glaciation sur le Gondwana, Dévonien supérieur, associé à des épisodes d'anoxie, fin du Trias, contemporaine du volcanisme de la province magmatique centre-atlantique lors de l'ouverture de l'Atlantique.
7. Les courbes de diversité des familles marines, établies par Raup et Sepkoski au début des années 1980 : ce sont elles qui ont popularisé les « cinq grandes crises ».
8. Répartitions à connaître pour dater une roche en travaux pratiques : Trilobites du Cambrien au Permien, Ammonoïdés du Dévonien au Crétacé, Globotruncanidés au Crétacé, surtout supérieur, Nummulitidés surtout au Paléogène, Globigérinidés au Cénozoïque. Bivalves et Gastéropodes traversent tout le Phanérozoïque et datent mal à l'échelle du groupe. Au rang du groupe, ces répartitions ne donnent que des fourchettes de dizaines de millions d'années. La datation fine se fait au rang de l'espèce.
9. Ordres de grandeur : Terre environ 4,56 milliards d'années, Phanérozoïque environ 540 Ma, soit à peine plus d'un dixième de l'histoire terrestre.

Techniques

Analyse d'une coupe géologique

Méthode en quatre temps. Inventorier tous les objets en les numérotant, couches, surfaces, failles, filons, plutons. Vérifier la polarité de chaque série avant d'appliquer la superposition. Établir les relations deux à deux en nommant le principe à chaque fois. Rédiger une chronologie du plus ancien au plus récent, qui inclut les évènements invisibles mais déduits, comme une émersion ou un basculement.

Mini-exemple. Un granite recoupe des schistes et contient des enclaves de ces schistes, puis une couche de grès horizontale repose sur le granite et les schistes par une surface d'érosion. Les enclaves et le recoupement montrent que les schistes sont antérieurs au granite. La surface d'érosion tronque le granite, donc le granite a été mis à l'affleurement par érosion avant le dépôt des grès. Chronologie : schistes, intrusion du granite, érosion, dépôt des grès.

Datation par assemblage de fossiles

Placer les intervalles d'existence de chaque taxon sur un même axe du temps. L'âge de la couche est l'intersection de ces intervalles. Un taxon qui ne restreint pas l'intersection ne sert à rien, un taxon incompatible avec les autres doit faire soupçonner un remaniement.

Mini-exemple. Une couche contient des Ammonoïdés et des Globotruncanidés. Les premiers vont du Dévonien au Crétacé, les seconds sont crétacés. L'intersection donne le Crétacé. Ajouter des Bivalves ne précise rien.

Reconstitution d'un paléoenvironnement

Raisonner par actualisme : les exigences écologiques des formes actuelles apparentées s'appliquent aux formes fossiles, avec prudence si le groupe est éteint. Croiser toujours avec la roche. Un calcaire récifal à coraux, sans éléments détritiques, confirme une mer chaude, claire et peu profonde. Un argilite noire riche en matière organique, sans faune benthique, indique un fond pauvre en dioxygène.

Lecture d'une courbe de diversité

Repérer l'axe des ordonnées, qui compte des espèces, des genres ou des familles. Localiser la chute, mesurer son ampleur en pourcentage et sa durée. Vérifier qu'elle touche plusieurs groupes et plusieurs milieux. Chercher la remontée qui suit, qui montre la radiation.

Plan d'une synthèse sur ce chapitre

Gabarit efficace : ordonner, repérer, découper. Une partie sur la chronologie relative par les principes, une sur les fossiles comme outils de corrélation, une sur les crises comme bornes mondiales. Terminer par l'ouverture vers la datation absolue, qui chiffre ces bornes.

Sujets classiques traités

Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.

Erreurs fréquentes