Synthèse stratigraphique

Résumé en cinq points

Notions et mécanismes

Deux chronologies aux propriétés complémentaires

La chronologie relative ordonne des évènements les uns par rapport aux autres, sans chiffrer. Ses qualités sont d'être applicable presque partout, de ne nécessiter aucun instrument sophistiqué, et de fournir un enchaînement continu, sans trou, dès lors que les relations géométriques sont lisibles. Ses limites sont de ne donner ni date ni durée, et de dépendre de la présence de repères, contacts géométriques clairs ou contenu fossilifère exploitable.

La chronologie absolue donne un âge numérique, assorti d'une incertitude. Ses limites sont d'être ponctuelle, puisqu'elle ne s'applique qu'à certains matériaux, presque toujours magmatiques ou organiques, et de ne dater qu'un évènement précis, cristallisation, refroidissement ou mort d'un organisme. Elle ne fournit donc pas, à elle seule, une histoire continue.

La combinaison des deux résout le problème. La chronologie relative construit la trame ordonnée et complète, la chronologie absolue en calibre certains points. Entre deux points calibrés, les âges sont interpolés. C'est exactement le principe de la construction de l'échelle chronostratigraphique.

La construction de l'échelle chronostratigraphique

La démarche historique et logique comporte trois temps.

D'abord un découpage relatif. Les limites des unités sont définies par des changements observables dans les séries, en particulier des changements du contenu fossilifère, les plus nettes correspondant aux crises biologiques. Chaque limite est matérialisée par une coupe de référence, le stratotype, ce qui lui donne une définition universelle et reproductible.

Ensuite une corrélation mondiale. Le principe d'identité paléontologique permet de reconnaître la même limite sur d'autres continents, même si les faciès diffèrent. D'autres outils de corrélation viennent renforcer cette mise en correspondance.

Enfin un étalonnage numérique. On recherche, au voisinage immédiat des limites, des roches datables par radiochronologie, le plus souvent des niveaux volcaniques intercalés dans la série, cendres ou coulées. L'âge de la limite est alors encadré entre celui d'un niveau situé en dessous et celui d'un niveau situé au-dessus.

Une conséquence importante en découle. L'ordre des unités est définitif, car il repose sur des observations géométriques et paléontologiques. Les âges numériques, eux, sont révisés au fur et à mesure des progrès analytiques. L'échelle stratigraphique est donc un cadre stable dont la graduation se précise.

Les outils de corrélation

Plusieurs familles d'arguments permettent d'affirmer que deux niveaux éloignés sont contemporains.

La biostratigraphie, fondée sur les fossiles stratigraphiques et sur les assemblages, reste l'outil de base pour le Phanérozoïque.

La magnétostratigraphie utilise la succession des inversions du champ magnétique, enregistrée aussi bien dans les basaltes océaniques que dans certains sédiments. La succession des polarités forme un motif de largeurs irrégulières, reconnaissable comme un code-barres, que l'on corrèle d'une série à l'autre. Cette échelle a été calibrée en âges par datation potassium-argon sur des coulées continentales, ce qui permet ensuite de dater le plancher océanique.

Les niveaux repères instantanés constituent un troisième outil. Un niveau de cendres volcaniques se dépose en quelques jours ou quelques semaines sur de très grandes surfaces. Il constitue donc un plan de même âge, un isochrone, et il est de surcroît directement datable. Il en va de même pour certains niveaux chimiques exceptionnels, comme l'anomalie mondiale en iridium de la limite Crétacé-Paléogène.

Les enregistrements géochimiques fournissent enfin des corrélations dans les séries récentes, notamment à travers les variations isotopiques liées aux cycles climatiques, exploitées dans les carottes marines et glaciaires.

Associer des âges absolus à des intervalles de temps

Une fois l'échelle calibrée, on dispose pour chaque unité d'un âge de base et d'un âge de sommet. Deux usages en découlent.

Le premier est le calcul d'une durée. La durée d'un étage ou d'une période est la différence entre les âges de ses limites. On constate alors que les unités n'ont pas des durées égales, ce qui est logique puisqu'elles ont été définies par des évènements biologiques et non par un découpage régulier du temps.

Le second est le calcul d'une vitesse. Connaissant une épaisseur de série et la durée pendant laquelle elle s'est déposée, on obtient un taux de sédimentation moyen. Connaissant une profondeur d'enfouissement et une durée, on obtient un taux de subsidence. Connaissant un décalage de faille et l'âge des terrains décalés, on obtient une vitesse de déplacement. Connaissant la distance à une dorsale et l'âge du plancher, on obtient un taux d'accrétion.

Ces calculs appellent une précaution constante. Ils fournissent des moyennes, et non des valeurs instantanées. Une série peut s'être déposée par à-coups, avec des lacunes, et la compaction a réduit l'épaisseur initiale. Un taux de sédimentation calculé sur dix millions d'années n'a donc pas la même signification qu'une mesure actuelle. Il faut le dire quand on conclut.

Encadrer un évènement non datable directement

C'est la situation la plus fréquente en exercice. Une déformation, une surface d'érosion, un contact ne se datent pas au laboratoire. On les encadre.

Le raisonnement est toujours le même. On cherche l'objet daté le plus jeune parmi ceux qui sont antérieurs à l'évènement, ce qui donne une borne ancienne. On cherche l'objet daté le plus ancien parmi ceux qui sont postérieurs, ce qui donne une borne récente. L'évènement est situé entre les deux. Plus les deux bornes sont proches, plus la contrainte est forte.

Ainsi une discordance angulaire se date entre l'âge des couches les plus récentes qu'elle tronque et l'âge des couches les plus anciennes qui la recouvrent. Une faille se date entre l'âge du terrain le plus récent qu'elle décale et l'âge du terrain le plus ancien qui la scelle sans être affecté. Un filon se date entre l'âge de la roche qu'il recoupe et l'âge de la surface qui le tronque, sauf s'il est lui-même directement datable.

Exemples et objets de référence

Premier exemple, une coupe composite. Une série sédimentaire plissée contenant des Ammonoïdés caractéristiques du Jurassique, tronquée par une surface d'érosion, surmontée de couches horizontales à Nummulites donc paléogènes, l'ensemble étant recoupé par un filon daté par potassium-argon. L'exploitation combine les principes de superposition et de recoupement pour l'ordre, la biostratigraphie pour l'âge des deux ensembles, et la radiochronologie pour le filon. On conclut que le plissement et l'érosion sont postérieurs au Jurassique et antérieurs au Paléogène, et que la mise en place du filon est postérieure à tout le reste.

Deuxième exemple, le plancher océanique. Les anomalies magnétiques donnent un ordre et une symétrie, donc une chronologie relative. La calibration de l'échelle des inversions par datation absolue sur des laves continentales donne les âges. Le croisement fournit une carte des âges du plancher, d'où l'on tire des taux d'accrétion en divisant une distance à l'axe par un âge. Ce cas illustre parfaitement la phrase du programme sur la mise en cohérence des deux chronologies.

Troisième exemple, la limite Crétacé-Paléogène. La disparition simultanée de plusieurs groupes, dont les Ammonoïdés et les Globotruncanidés, définit une limite biostratigraphique mondiale. Le niveau enrichi en iridium fournit un repère physique instantané, corrélable d'un continent à l'autre. La datation radiochronologique de niveaux volcaniques encadrants attribue à cette limite un âge d'environ 66 millions d'années. Les trois approches convergent.

Quatrième exemple, les séries quaternaires. Dans une carotte ou une coupe récente, on combine la superposition, la datation par le carbone 14 sur des restes organiques, le comptage de niveaux annuels lorsqu'ils existent, et la corrélation avec les enregistrements climatiques isotopiques. La résolution atteinte est alors de l'ordre du siècle, voire de l'année.

Méthodes et savoir-faire

La démarche générale à appliquer devant un document se déroule en cinq étapes, dans cet ordre.

Première étape, inventorier. Lister tous les objets présents, couches, fossiles, failles, filons, surfaces d'érosion, et repérer toutes les données chiffrées fournies.

Deuxième étape, ordonner. Appliquer les principes de la stratigraphie, en nommant explicitement celui qui est utilisé à chaque fois. Construire une chronologie relative complète, du plus ancien au plus récent.

Troisième étape, dater. Attribuer un âge aux objets datables, par biostratigraphie en croisant les intervalles d'existence des fossiles, et par radiochronologie en précisant la méthode et l'évènement daté.

Quatrième étape, encadrer. Reporter les âges obtenus sur la chronologie relative, et en déduire des bornes pour les évènements non datables directement.

Cinquième étape, quantifier et conclure. Calculer les durées et les vitesses demandées, puis rédiger l'histoire géologique sous forme d'un récit ordonné où chaque étape est datée ou encadrée, en signalant les incertitudes et les lacunes.

Deux réflexes complètent cette démarche. Toujours vérifier la cohérence entre les arguments : si la biostratigraphie et la radiochronologie se contredisent, c'est l'indice qu'une hypothèse est fausse, série renversée, système ouvert, ou fossile remanié. Et toujours distinguer ce qui est observé de ce qui est interprété.

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

1. Expliquer pourquoi chronologie relative et chronologie absolue sont complémentaires, en donnant les limites de chacune.
2. Décrire la construction de l'échelle chronostratigraphique en trois temps, découpage, corrélation, étalonnage.
3. Reconstituer l'histoire complète d'une coupe à discordance, faille et filon, en nommant chaque principe et en chiffrant ce qui peut l'être.
4. Encadrer l'âge d'une déformation ou d'une faille à partir des terrains affectés et des terrains scellants.
5. Calculer un taux de sédimentation, un taux de subsidence ou un taux d'accrétion, et critiquer le résultat obtenu.
6. Expliquer comment l'échelle des inversions magnétiques a été calibrée, puis utilisée pour dater le plancher océanique.
7. Piège fréquent : oublier de préciser le principe utilisé. Un raisonnement correct mais non justifié perd l'essentiel des points.
8. Piège fréquent : présenter un taux moyen comme une vitesse réelle, sans mentionner les lacunes ni la compaction.

Notions et mécanismes clés

• Superposition : dans une série non renversée, une couche est plus récente que celle qu'elle recouvre.
• Continuité : une couche a le même âge sur toute son étendue. Ce principe devient faux quand un faciès migre dans le temps (diachronisme).
• Recoupement : une structure qui en recoupe une autre lui est postérieure. Cela vaut pour une faille, un filon ou une surface d'érosion.
• Inclusion : un élément inclus dans une roche est plus ancien que celle-ci. Exemples : un galet dans un conglomérat, une enclave dans un granite.
• Identité paléontologique : deux couches qui contiennent le même fossile stratigraphique ont le même âge.
• Fossile stratigraphique : il a une large répartition géographique, une courte durée d'existence et il est abondant. Il date.
• Fossile de faciès : il renseigne sur le milieu de dépôt, pas sur l'âge. C'est le cas de la plupart des Bivalves et des Gastéropodes.
• Intervalle d'existence : la durée entre l'apparition et la disparition d'un taxon. On date par l'intersection des intervalles des fossiles présents.
• Isochrone : une surface de même âge partout. Un niveau de cendres en est l'exemple type, une limite de faciès ne l'est généralement pas.
• Stratotype : la coupe de référence qui définit une unité ou une limite. La typologie des stratotypes est hors programme.
• Calibration : l'attribution d'un âge numérique à une limite définie de manière relative, par la datation de roches qui l'encadrent.
• Interpolation : l'estimation d'un âge entre deux niveaux datés, sous l'hypothèse d'un taux de dépôt constant.
• Âge d'un évènement non datable : on l'encadre entre la borne ancienne, qui est l'objet daté le plus jeune parmi ceux qui sont antérieurs, et la borne récente, qui est l'objet daté le plus ancien parmi ceux qui sont postérieurs.
• Taux moyen : le rapport d'une épaisseur ou d'une distance à une durée. Il intègre les lacunes, la compaction et les variations de rythme.
• Lacune : un intervalle de temps non représenté par des sédiments, soit par absence de dépôt, soit par érosion.
• Remise à zéro : l'évènement réellement daté par un géochronomètre, cristallisation ou refroidissement sous la température de fermeture. Elle se traite qualitativement.

Chaînes de raisonnement

Pourquoi l'ordre est définitif et l'âge révisable. L'ordre des unités repose sur des relations géométriques et paléontologiques observées, qu'aucun progrès instrumental ne peut inverser. Les âges numériques dépendent au contraire de constantes de désintégration, d'étalons et de la précision des spectromètres. Chaque amélioration analytique déplace donc les graduations sans modifier la succession. La base du Cambrien, longtemps donnée à environ 541 Ma, a ainsi été récemment révisée vers 539 Ma.

Pourquoi les limites sont placées aux crises biologiques. Une crise fait disparaître simultanément de nombreux groupes sur toute la planète. Sa trace est donc visible dans des faciès très différents et reconnaissable partout. Elle est suivie d'une radiation qui installe des faunes nouvelles, ce qui rend le contraste avant et après très net. La coupure est ainsi à la fois universelle et facile à repérer.

Pourquoi les cendres volcaniques sont le meilleur outil de calibration. Elles se déposent en un temps négligeable à l'échelle géologique sur de vastes surfaces, et forment donc un isochrone. Elles s'intercalent dans des séries fossilifères, ce qui les relie directement à la biostratigraphie. Elles contiennent enfin des minéraux magmatiques comme le zircon, la sanidine ou la biotite, dont la remise à zéro correspond à l'éruption.

Pourquoi un taux de sédimentation dépend de l'intervalle de mesure. Plus l'intervalle considéré est long, plus il contient de lacunes et de périodes sans dépôt. Le taux calculé diminue donc quand la durée augmente, même dans un bassin au fonctionnement constant. On ne compare deux taux que s'ils ont été calculés sur des durées du même ordre.

Pourquoi une contradiction entre deux méthodes est une information. Si un fossile indique un âge incompatible avec une datation radiochronologique, l'une des hypothèses implicites est fausse. Les causes possibles sont un fossile remanié, un système isotopique ouvert, une série renversée, ou un niveau magmatique intrusif et non pas interstratifié. Discuter cette contradiction rapporte des points, l'ignorer en fait perdre.

De la chronologie relative magnétique aux âges du plancher. La succession des polarités ne donne d'abord qu'un ordre et une symétrie par rapport à l'axe. La datation potassium-argon de coulées continentales à polarité connue attribue un âge à chaque inversion. On lit ensuite l'âge du plancher en identifiant les bandes, puis on en déduit une vitesse d'accrétion.

Du couplage interne et surface aux limites de la chronologie. Les deux grandes limites d'ères du Phanérozoïque coïncident avec de gigantesques épanchements basaltiques, les trapps de Sibérie vers 252 Ma et ceux du Deccan vers 66 Ma. Leur datation permet de tester la simultanéité avec l'extinction. Si les âges des trapps encadrent celui de la limite, la corrélation temporelle est établie, mais la causalité reste une interprétation.

Exemples et références à connaître

1. Les âges des limites d'ères, exigibles : base du Paléozoïque vers 541 Ma, révisée vers 539 Ma, limite Paléozoïque et Mésozoïque vers 252 Ma, limite Mésozoïque et Cénozoïque vers 66 Ma. Les âges des périodes ne sont pas exigibles, seuls leurs noms le sont.
2. Les intervalles d'existence utiles : Trilobites au Paléozoïque, disparus à la fin du Permien. Ammonoïdés du Dévonien à la fin du Crétacé. Globotruncanidés au Crétacé, disparus à sa limite supérieure. Grandes Nummulites caractéristiques du Paléogène. Globigérinidés du Cénozoïque à l'actuel.
3. William Smith, au début du dix-neuvième siècle, réalise une carte géologique de l'Angleterre en suivant les couches par leurs fossiles. C'est l'acte fondateur de la corrélation biostratigraphique.
4. Alcide d'Orbigny découpe la série en étages, souvent nommés d'après des localités françaises, comme Toarcien d'après Thouars ou Turonien d'après la Touraine. L'exemple illustre le découpage relatif par stratotypes. Le nom des étages n'est pas exigible.
5. L'anomalie en iridium de la limite Crétacé-Paléogène, décrite par l'équipe Alvarez, est un marqueur chimique mondial et instantané. Elle est corrélée au cratère de Chicxulub.
6. La calibration de l'échelle des inversions magnétiques par datation potassium-argon de laves continentales, puis sa lecture sur les anomalies océaniques par Vine, Matthews et Morley. La dernière inversion, vers 0,78 Ma, sépare la période normale actuelle de la période inverse précédente.
7. Les ordres de grandeur des taux de sédimentation : quelques mètres par million d'années en domaine pélagique profond, dix à cent mètres par million d'années sur une plate-forme carbonatée, beaucoup plus dans un delta.
8. Les ordres de grandeur d'accrétion : une demi-vitesse de un à dix centimètres par an selon les dorsales. Retenir que un kilomètre par million d'années vaut un millimètre par an.
9. Les domaines des méthodes : le carbone 14, de période voisine de 5 730 ans, sert jusqu'à environ 50 000 ans sur des restes organiques. Le potassium-argon, de période voisine de 1,25 milliard d'années, s'applique à des minéraux potassiques magmatiques. L'uranium-plomb sur zircon couvre presque toute l'histoire de la Terre.

Techniques

Dater par croisement de fossiles

Réflexe : tracer sur une frise les intervalles d'existence de chaque fossile stratigraphique présent, puis retenir leur intersection. Les fossiles de faciès sont écartés de la datation mais conservés pour le paléoenvironnement.

Mini-exemple. Une marne contient des Ammonoïdés, des Globotruncanidés et des Bivalves. Les Ammonoïdés vont du Dévonien au Crétacé, les Globotruncanidés sont crétacés, les Bivalves ne datent pas. L'intersection est le Crétacé, et le milieu est marin ouvert grâce aux Foraminifères planctoniques.

Encadrer par la frise à deux colonnes

Réflexe : une colonne à gauche pour les évènements dans l'ordre relatif, une colonne à droite pour les âges connus en face de chaque évènement daté. On lit ensuite chaque évènement non daté entre le plus proche âge situé au-dessous et le plus proche situé au-dessus.

Mini-exemple. Ordre : grès A, plissement, érosion, calcaire B, filon. Le grès A a pour âge biostratigraphique le Dévonien, le calcaire B le Trias, le filon est daté à 180 Ma. Le plissement et l'érosion se placent après le dépôt du grès dévonien et avant celui du calcaire triasique. Ils sont donc compris entre un moment du Dévonien, postérieur au dépôt du grès, et un moment du Trias, antérieur au dépôt du calcaire. Cet intervalle inclut tout le Carbonifère et tout le Permien. Sans datation plus fine des deux formations, on ne peut pas préciser davantage. Le filon se place au Jurassique.

Convertir les unités sans erreur

Réflexe : un mètre par million d'années vaut un micromètre par an, soit un millimètre par millénaire. Un kilomètre par million d'années vaut un millimètre par an. On écrit toujours l'unité à chaque ligne du calcul.

Mini-exemple. 240 m déposés en 8 Ma donnent 30 m/Ma, soit 30 µm/an ou 3 cm par millénaire.

Critiquer un résultat chiffré

Grille en quatre questions. Le taux est-il moyen ? L'épaisseur a-t-elle été compactée ? Des lacunes sont-elles possibles, avec des surfaces durcies, des ravinements ou des biozones manquantes ? Les incertitudes des âges sont-elles du même ordre que la durée calculée ? Si la durée est de 1 Ma et que chaque âge est à plus ou moins 0,5 Ma, le taux n'a presque aucun sens.

Rédiger une histoire géologique

Une phrase par évènement, dans l'ordre chronologique. Chaque phrase contient l'évènement, le principe ou la mesure qui le place, et l'âge ou l'encadrement. Formule type : « D'après le principe de recoupement, la faille F est postérieure au calcaire C qu'elle décale, et antérieure aux sables S qui la scellent. Elle date donc de l'intervalle compris entre le Jurassique et le Paléogène. »

Sujets classiques traités

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

Erreurs fréquentes