Reconstitution de l’histoire géologique d’une région sédimentaire

Le contenue du chapitre.

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Introduction

La reconstitution de l’histoire géologique consiste à déterminer la succession des évènements géologiques dans le temps, grâce à un ensemble de méthodes.

Quelles sont les méthodes utilisées pour la reconstitution de l’histoire géologique ?

I – Les principes stratigraphiques de la datation relative

1- Définitions importantes

Datation relative : Organisation de manière chronologique des évènements géologiques. En utilisant les principes stratigraphiques.

Datation absolue : Détermination de l’âge des roches en million d’années. En se basant sur les éléments radioactifs.

La stratigraphie : l’étude de la succession des strates sédimentaires, et de l'âge relatif des terrains.
Une couche sédimentaire (strate) : est un ensemble sédimentaire délimité par deux surfaces plus ou moins parallèles : le lit et le toit de la couche. La strate se caractérise par son épaisseur, sa couleur et son faciès.

2 – Principe de superposition

a – Définition

La figure suivante montre la succession de quelques couches sédimentaires.

Q – Classez les couches de la figure de la plus ancienne à la plus récente, et définissez le principe utilisé.

R – La strate (A) est la plus ancienne, puis la strate (B), puis la strate (C), puis la strate (D) et la strate E est la plus récente.

Principe de superposition : dans une série sédimentaire non déformée, toute couche sédimentaire est plus ancienne que la couche au-dessus d’elle, et plus récente que la couche en dessous d’elle.

b – Exception d’application

La figure suivante montre la succession de quelques couches sédimentaires.

Q – Que peut-on déduire de la comparaison des couches sédimentaires dans les régions (A) et (B).

R – Par application du principe de superposition, on trouve :

Dans la zone (B) : le conglomérat est le plus ancien, puis le sable rocheux et le calcaire est le plus récent.
Dans la zone (A) : le calcaire est le plus ancien, puis le sable rocheux et conglomérat est le plus récent.

La datation est contradictoire dans les deux régions, ceci est dû au pli couché (déformation tectonique) observé dans la région.

Bilan : on ne peut pas appliquer le principe de superposition pour les strates qui ont subi des déformations tectoniques (et au niveau des terrasses fluviatiles).

3 – Principe de continuité et de la variation latérale du faciès

La figure suivante montre la succession de couches sédimentaires des deux parties d’un Oued.

Q – Déterminez l’âge relatif des strates observées sur les deux côtés est et ouest de l’oued.

R- Les couches sédimentaires ne sont pas déformées, donc en appliquant le principe de superposition, on trouve que :

Est : la couche (c) est la plus ancienne, puis la couche (b) et la couche (a) est la plus récente.
Ouest : (c’) est la plus ancienne, puis la couche (b) et (a) est la plus récente.

On constate que :

(a) et (a’) ont le même faciès, alors elles ont le même âge.
(c) et (c’) ont le même faciès, alors elles ont le même âge.
(b) et (b’) ont deux faciès différents, mais elles sont encadrées par des couches qui ont le même âge, alors (b) et (b’) ont le même âge (variation latérale du faciès).

Définitions :

Principe de continuité : la couche sédimentaire est définie par son faciès, elle a le même âge sur toute son étendue.
Variation latérale du faciès : lorsque deux formations sédimentaires de même âge, en continuité, présentent différents faciès. Cette variation de faciès est due à la variation des conditions de sédimentation (profondeur, proximité de la côte…).

4 – Principe de recoupement

La figure suivante montre un schéma d’une coupe géologique réalisée dans une région qui a connu des déformations géologiques.

Q – Déterminez l’âge relatif des déformations et du granite (G) par rapport aux couches.
R–

Le plissement est plus récent que les couches plissées (h, i, k), et plus ancien que les couches non plissées (e, d, c, b, a).
La faille F est plus récente que les couches (c, d, e, h, i, k) et plus ancienne que les couches (b, a).
Le granite (roche magmatique) est plus récent que toutes les couches sédimentaires.

Bilan : un événement (faille, intrusion magmatique…) est plus récent que les structures qu’il affecte (recoupe).

Remarque : les débris d’une roche inclus dans une autre couche sont toujours plus anciens que leur contenant (principe d’inclusion).

5 – Principe d’identité paléontologique

Le tableau suivant représente la répartition stratigraphique et géographique de quelques fossiles (F₁, F₂, F₃, F₄ et F₅).
Les régions R₁, R₂, R₃et R₄ sont très éloignées et présentent des conditions de vie différentes.

	Répartition géochronologique						Répartition géographique
	Crétacé (Secondaire)			Éocène (Tertiaire)			R₁	R₂	R₃	R₄
	Turonien	Sénonien	Maastrichtien	Montien	Thanétien	Yprésien	R₁	R₂	R₃	R₄
F₁		+	+	+	+	+	+
F₂				+	+	+	+	+	+
F₃					+		+	+	+	+
F₄			+				+	+
F₅			+	+			+	+	+

Q-1 – Comparez la répartition géochronologique et géographique de F₁ et F₃.

Q-2 – Déterminez l’âge relatif de quatre couches C₁, C₂, C₃ et C₄ tel que :

C₁se trouve dans la région R₁ et contient le fossile F₃.
C₂ se localise dans la région R₁ et contient le fossile F₄.
C₃ se situe dans la région R₂ et contient le fossile F₄.
C₄ se trouve dans la région R₁ et contient le fossile F₁.

Q-3 – Peut-on qualifier F₃ de fossile de faciès ? Justifiez votre réponse.

R-1 – Comparaison de la répartition géochronologique et géographique de F₁ et F₃ :

F₃ possède une grande répartition géographique (on le trouve dans toutes les régions étudiées) et une faible extension dans le temps, il a vécu uniquement pendant le Thanétien.
F₁ se caractérise par une répartition géochronologique plus importante que celle de F₃, mais sa répartition géographique est plus faible.

R-2–

Les couches C₂ et C3 ont le même âge relatif, car elles contiennent le même fossile (qui a vécu dans le Maastrichtien).
La couche C₁ est plus récente que les couches C₂ et C₃, parce qu'elle contient un fossile qui a vécu dans le Thanétien (plus récent que le Maastrichtien).
On ne peut pas déterminer avec précision l’âge relatif de la couche C₄, parce que le fossile qu’elle contient (F₁) grande répartition géochronologique (du Sénonien au Yprésien).

R-3 – F₃ n’est pas un fossile de faciès, car il a vécu dans des régions que présentent des conditions de sédimentation différentes (par contre F₁ est un bon fossile de faciès).

Principe d’identité paléontologique : deux couches éloignées, sont de même âge, si elles contiennent les mêmes fossiles stratigraphiques.

Remarque :On distingue entre deux types de fossiles :

Fossiles stratigraphiques : permettent de dater les couches sédimentaires dans lesquelles ils se trouvent, cette datation est fondée sur le principe d’identité paléontologique.
Fossiles de faciès : permettent de se renseigner sur le milieu et les conditions de sédimentation des roches dans lesquelles on les trouve.

II – Construction de l’échelle stratigraphique

1 – Notion d’étage

a – Le stratotype

La figure suivante montre les caractéristiques et les limites d’un stratotype qui se trouve dans la région de Pliensbach en Allemagne.
Q – Qu’est-ce qu’un stratotype ?
R – Les géologues ont sélectionné des formations sédimentaires types répondant à des critères spécifiques :

Une succession de strates non déformées et bien préservées.
Des couches formées en milieu marin, favorisant une sédimentation régulière.
Une richesse en fossiles stratigraphiques, essentiels pour les corrélations géologiques.
Des limites claires entre les couches (lit et toit) de la succession, souvent marquées par des lacunes stratigraphiques.

Cette succession de strates est appelée stratotype. Un stratotype est donc une série sédimentaire de référence utilisée pour définir une division du temps géologique, comme un étage. Le nom de l’étage correspond généralement à celui de la région où se trouve le stratotype, avec l’ajout d’un suffixe (ien)..

b – Notion de lacune stratigraphique

Les figures suivantes montrent des schémas explicatifs de la lacune stratigraphique.

Q-1 – Comparez la succession des strates dans les deux localités X et Y.
Q-2 – Expliquez la formation d’une lacune stratigraphique.

R-1 –

Dans les schémas 1 et 2 : On observe que la strate B est présente dans la localité X et absente dans la localité Y.
Dans le schéma 3 : On observe que la strate C et une partie de la strate B sont absentes de la localité Y.

L’absence d’une strate ou un ensemble de strates dans une série sédimentaire constitue une lacune stratigraphique.

R-2 – La lacune stratigraphique peut s’expliquer par :

Une interruption de la sédimentation : une ou plusieurs couches ne se déposent pas dans une région.
Une érosion : les couches qui manquent dans une région se sont déposées, puis elles ont disparu à cause de l’érosion, puis la sédimentation a repris en laissant une lacune.

Bilan : les limites des étages sont généralement marquées par des lacunes stratigraphiques causées par des interruptions de la sédimentation.

2 – Notion de cycle sédimentaire

Les figures suivantes montrent des schémas explicatifs de la transgression (fig 1) et de la régression (fig 2) marine.

Q-1 – Dégager les caractéristiques de la série transgressive et de la série régressive.

La figure suivante représente un schéma d’un cycle sédimentaire.

Q-2 – Dessinez la colonne stratigraphique encadrée.
Q-3 – Que représente cette colonne ?

R-1-

La transgression marine est l’envahissement durable de zones littorales par la mère. La série transgressive constitue les sédiments déposés lors de la transgression marine, elle est caractérisée par :
Passage progressif de sédiments détritiques grossiers aux sédiments fins et carbonatés.
Passage de sédiments de faible profondeur aux sédiments de grande profondeur.
La régression marine est un retrait durable de la mer en dessous de ses limites antérieures. La série transgressive se caractérise par :
Passage progressif de sédiments carbonatés aux sédiments détritiques fins et grossiers.
Passage de sédiments de grande profondeur aux sédiments de faible profondeur.

R-2 – Dessin de la colonne sédimentaire.

R-3 – On observe la succession de deux séries sédimentaires, une série transgressive suivie d’une série régressive (cycle sédimentaire). Ainsi les sédiments détritiques limitent la série du bas et du haut, et les sédiments carbonatés se situent au milieu.

Bilan :

Le cycle sédimentaire est la période qui correspond à une transgression suivie par une régression dans une même région, le cycle sédimentaire désigne aussi l’ensemble des sédiments déposés durant cette période.
Le cycle sédimentaire est un des fondements des subdivisions stratigraphiques. Ainsi, on distingue entre les grands cycles qui déterminent les systèmes et les petits cycles qui déterminent des étages.

Remarque : la figure suivante montre deux types de discordance (discordance parallèle et discordance angulaire), qui marquent une discontinuité de sédimentation, ce qui facilite la détermination des limites des périodes géologique.

3 – Échelle stratigraphique

L’échelle du temps géologique est un système de classement chronologique utilisé en géologie pour dater les événements ayant marqué l’histoire de la Terre. Elle commence généralement à l’âge estimé de la formation de notre planète, il y a environ 4,5 milliards d’années, et est définie par la Commission internationale de stratigraphie.

La subdivision du temps géologique repose sur plusieurs critères clés, parmi lesquels :

Les crises biologiques : Ce sont des épisodes d’extinction massive qui affectent un grand nombre d’espèces sur une vaste échelle géographique en un laps de temps géologique relativement court. Par exemple, la disparition des dinosaures à la fin du Crétacé constitue une crise biologique majeure.
Les cycles tectoniques : Les mouvements des plaques tectoniques entraînent la formation et la disparition de bassins sédimentaires, comme les océans. Cette disparition résulte de phénomènes tels que la subduction ou l’obduction, qui donnent lieu à la formation de chaînes de montagnes. Par la suite, ces montagnes subissent l’érosion sous l’effet de la géodynamique externe, marquant ainsi la fin d’un cycle tectonique. L’histoire de la Terre est jalonnée de plusieurs cycles tectoniques majeurs, utilisés pour subdiviser le temps géologique, tels que le cycle précambrien, le cycle calédonien et le cycle alpin.

Remarque : La Commission internationale de stratigraphie (ICS) est l’organisation scientifique responsable de l’établissement de l'échelle stratigraphique.

Exercice : La figure 1 présente la succession de quelques strates sédimentaires. L’étude paléontologique de ces strates a révélé la présence des fossiles représentés par la figure 2.

Q-1 – Déterminez le nom et la répartition chronologique des fossiles a et b.
Q-2 – Déterminez la datation relative de la strate 2.
Q-3 – À l’aide de schémas, expliquez la présence de la strate 3 dans le milieu de la coupe géologique.

R-1 –

Le fossile (a) est le trilobite, il appartient à l’ère primaire.
Le fossile b est l’ammonite, il appartient à l’ère secondaire.

R-2 – Puisque la strate 2 contient l’ammonite et la strate 1 contient la nummulite. Donc, la strate 2 est plus ancienne que la strate 1. Et comme la strate (3) contient le trilobite. Donc, elle est plus ancienne que la strate 2.

R-3 –

Déposition des strates (Argile, Marne, calcaire) horizontalement.
Ces strates ont subi une déformation tectonique (pli), ce qui a conduit au positionnement de la strate 3 dans le centre du pli.

		Goniatite	Ceratite	Ammonite	Trilobite	Nummulite	Oursin
Tertiaire	Paléocène	-	-	-	-	-	+
	Miocène	-	-	-	-	-	+
	Oligocène	-	-	-	-	+	+
	Éocène	-	-	-	-	+	+
Secondaire	Crétacé	-	-	+	-	-	+
	Jurassique	-	-	+	-	-	+
	Trias	-	+	+	-	-	+
Primaire	Permien	+	+	-	+	-	+
	Carbonifère	+	-	-	+	-	+
	Dévonien	+	-	-	+	-	+
	Silurien	-	-	-	+	-	+
	Ordovicien	-	-	-	+	-	+
	Cambrien	-	-	-	+	-	-