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Objectifs de la leçon

• Expliquer les lois de superposition et d’horizontalité originelle de Steno.
• Sur la base d’une coupe géologique, identifier les formations les plus anciennes et les plus jeunes.
• Expliquer ce que représente une discordance.
• Savoir comment utiliser les fossiles pour corréler les couches rocheuses.

Vocabulaire

• biozone
• Relations de coupe transversalede coupe
• Échelle de temps géologique
• Lit clé
• Continuité latérale
• Microfossiles
• Horizon d’origine
• Age relatif
• Superposition

.

• non-conformité
• uniformitarisme

Introduction

Ce que nous espérons que vous avez appris de ces leçons et de votre propre expérience de vie est que les lois de la nature ne changent jamais. Elles sont les mêmes aujourd’hui qu’il y a des milliards d’années. L’eau gèle à 0° C à une pression de 1 atmosphère ; c’est toujours vrai.

Savoir que les lois naturelles ne changent jamais aide les scientifiques à comprendre le passé de la Terre car cela leur permet d’interpréter des indices sur la façon dont les choses se sont passées il y a longtemps. Les géologues utilisent toujours des processus actuels pour interpréter le passé. Si vous trouvez le fossile d’un poisson dans un environnement terrestre sec, le poisson s’est-il balancé sur la terre ferme ? La roche s’est-elle formée dans l’eau puis s’est-elle déplacée ? Puisque les poissons ne flop pas sur la terre aujourd’hui, l’explication qui adhère à la philosophie selon laquelle les lois naturelles ne changent pas est que la roche a bougé.

Les fossiles étaient des organismes vivants

En 1666, un jeune médecin nommé Nicholas Steno a disséqué la tête d’un énorme grand requin blanc qui avait été capturé par un pêcheur près de Florence, en Italie. Steno a été frappé par la ressemblance des dents du requin avec des fossiles trouvés dans les montagnes et les collines de l’intérieur des terres (Figure ci-dessous).

La plupart des gens à l’époque ne croyaient pas que les fossiles faisaient autrefois partie d’êtres vivants. Les auteurs de l’époque pensaient que les fossiles d’animaux marins trouvés dans de hautes montagnes, à des kilomètres de tout océan, pouvaient s’expliquer de l’une des deux façons suivantes :

• Les coquillages ont été rejetés par la mer lors du déluge biblique. (Cette explication ne pouvait pas rendre compte du fait que les fossiles ne se trouvaient pas seulement sur les montagnes, mais aussi à l’intérieur des montagnes, dans des roches extraites des profondeurs de la Terre.)
• Les fossiles se sont formés à l’intérieur des roches sous l’effet de forces mystérieuses.

Mais pour Steno, la ressemblance étroite entre les fossiles et les organismes modernes était impossible à ignorer. Au lieu d’invoquer des forces surnaturelles, Steno a conclu que les fossiles étaient autrefois des parties de créatures vivantes. Il a ensuite cherché à expliquer comment on pouvait trouver des coquillages fossiles dans des roches et des montagnes éloignées de tout océan. Cela l’a conduit aux idées qui sont discutées ci-dessous.

Superposition des couches rocheuses

Steno a proposé que si une roche contenait les fossiles d’animaux marins, la roche s’est formée à partir de sédiments qui se sont déposés sur le fond de la mer. Ces roches ont ensuite été soulevées pour devenir des montagnes. Sur la base de ces hypothèses, Steno a formulé une série remarquable de conjectures qui sont maintenant connues sous le nom de lois de Steno. Ces lois sont illustrées dans la figure ci-dessous.

D’autres scientifiques ont observé les couches rocheuses et formulé d’autres principes. Le géologue William Smith (1769-1839) a identifié le principe de la succession faunique, qui reconnaît que :

• Certains types de fossiles ne sont jamais trouvés avec certains autres types de fossiles (par exemple, les ancêtres humains ne sont jamais trouvés avec les dinosaures), ce qui signifie que les fossiles dans une couche rocheuse représentent ce qui vivait pendant la période où la roche a été déposée.
• Les caractéristiques plus anciennes sont remplacées par des caractéristiques plus modernes chez les organismes fossiles à mesure que les espèces changent au fil du temps ; par exemple, les dinosaures à plumes précèdent les oiseaux dans les archives fossiles.
• Les espèces fossiles dont les caractéristiques changent distinctement et rapidement peuvent être utilisées pour déterminer l’âge des couches rocheuses de manière assez précise.

Le géologue écossais, James Hutton (1726-1797) a reconnu le principe des relations transversales. Cela aide les géologues à déterminer l’âge le plus ancien et le plus jeune de deux unités rocheuses (figure ci-dessous).

Le Grand Canyon fournit une excellente illustration des principes ci-dessus. Les nombreuses couches horizontales de roches sédimentaires illustrent le principe de l’horizontalité originelle (figure ci-dessous).

• Les couches rocheuses les plus jeunes sont en haut et les plus anciennes sont en bas, ce qui est décrit par la loi de superposition.
• Des couches rocheuses distinctives, comme le grès de Coconino, sont appariées à travers la vaste étendue du canyon. Ces couches rocheuses étaient autrefois reliées, comme l’énonce la règle de la continuité latérale.
• Le fleuve Colorado traverse toutes les couches rocheuses pour former le canyon. Selon le principe des relations transversales, le fleuve doit être plus jeune que toutes les couches rocheuses qu’il traverse.

Détermination des âges relatifs des roches

Les principes de Steno et de Smith sont essentiels pour déterminer les âges relatifs des roches et des couches rocheuses. Dans le processus de datation relative, les scientifiques ne déterminent pas l’âge exact d’un fossile ou d’une roche mais examinent une séquence de roches pour essayer de déchiffrer les moments où un événement s’est produit par rapport aux autres événements représentés dans cette séquence. L’âge relatif d’une roche est donc son âge par rapport à d’autres roches. Si vous connaissez l’âge relatif de deux couches rocheuses, (1) savez-vous laquelle est la plus ancienne et laquelle est la plus jeune ? (2) Savez-vous quel est l’âge des couches en années ?

Un site web interactif sur les âges relatifs et les temps géologiques se trouve ici : http://www.ucmp.berkeley.edu/education/explorations/tours/geotime/gtpage1.html

Dans certains cas, il est très délicat de déterminer la séquence d’événements qui conduit à une certaine formation. Pouvez-vous déterminer ce qui s’est passé dans quel ordre dans (la figure ci-dessous) ? Notez-le et vérifiez ensuite les paragraphes suivants.

Le principe des relations transversales stipule qu’une faille ou une intrusion est plus jeune que les roches qu’elle traverse. La faille recoupe les trois couches de roches sédimentaires (A, B et C) et également l’intrusion (D). La faille doit donc être l’élément le plus jeune. L’intrusion (D) traverse les trois couches de roches sédimentaires, elle doit donc être plus jeune que ces couches. Par la loi de superposition, C est la roche sédimentaire la plus ancienne, B est plus jeune et A est encore plus jeune.

La séquence complète des événements est :

1. La couche C s’est formée.

2. La couche B s’est formée.

3. La couche A s’est formée.

4. Après la présence des couches A-B-C, l’intrusion D les a traversées toutes les trois.

5. La faille E s’est formée, déplaçant les roches A à C et l’intrusion D.

6. La météorisation et l’érosion ont créé une couche de sol au-dessus de la couche A.

L’âge de la Terre

À l’époque de Steno, la plupart des Européens croyaient que la Terre avait environ 6 000 ans, un chiffre qui était basé sur la quantité de temps estimée pour les événements décrits dans la Bible. L’un des premiers scientifiques à remettre en question cette hypothèse et à comprendre le temps géologique fut James Hutton. Hutton a voyagé en Grande-Bretagne à la fin des années 1700, étudiant les roches sédimentaires et leurs fossiles (Figure ci-dessous).

Souvent décrit comme le fondateur de la géologie moderne, Hutton a formulé l’uniformitarisme : Le présent est la clé du passé. Selon l’uniformitarisme, les mêmes processus qui opèrent aujourd’hui sur la Terre ont également opéré dans le passé. Pourquoi l’acceptation de ce principe est-elle absolument essentielle pour que nous puissions déchiffrer l’histoire de la Terre ?

Hutton a remis en question l’âge de la Terre lorsqu’il a examiné des séquences rocheuses comme celle ci-dessous. Au cours de ses voyages, il a découvert des endroits où des lits de roches sédimentaires reposent sur une surface érodée. À cet écart entre les couches rocheuses, ou discordance, certaines roches ont été érodées. Prenons par exemple la célèbre discordance de Siccar Point, sur la côte écossaise (figure ci-dessous).

1. Une série de lits sédimentaires a été déposée sur un fond océanique.

2. Les sédiments ont durci pour devenir des roches sédimentaires.

3. Les roches sédimentaires sont soulevées et inclinées, les exposant au-dessus du niveau de la mer.

4. Les lits inclinés ont été érodés pour former une surface irrégulière.

5. Une mer a recouvert les couches de roches sédimentaires érodées.

6. De nouvelles couches sédimentaires ont été déposées.

7. Les nouvelles couches ont durci en roches sédimentaires.

8. Toute la séquence rocheuse a été inclinée.

9. Un soulèvement s’est produit, exposant les nouvelles roches sédimentaires au-dessus de la surface de l’océan.

Puisqu’il pensait que les mêmes processus à l’œuvre sur la Terre aujourd’hui fonctionnaient au même rythme dans le passé, il devait tenir compte de tous ces événements et de la quantité inconnue de temps manquant représentée par la discordance, Hutton a réalisé que cette séquence rocheuse représentait à elle seule beaucoup de temps. Il en a conclu que l’âge de la Terre ne devait pas être mesuré en milliers d’années, mais en millions d’années.

Correspondance des couches rocheuses

La superposition et la coupe transversale sont utiles lorsque les roches se touchent et la continuité latérale permet de faire correspondre des couches rocheuses proches, mais comment les géologues mettent-ils en corrélation des couches rocheuses séparées par de plus grandes distances ? Il existe trois types d’indices :

1. Des formations rocheuses distinctives peuvent être reconnaissables à travers de grandes régions (figure ci-dessous).

2. Deux unités rocheuses séparées présentant le même fossile d’indice ont un âge très similaire. Quels traits pensez-vous qu’un fossile index doit avoir ? Pour devenir un fossile index, l’organisme doit (1) avoir été répandu de sorte qu’il soit utile pour identifier les couches rocheuses sur de grandes zones et (2) avoir existé pendant une période relativement brève de sorte que l’âge approximatif de la couche rocheuse soit immédiatement connu.

De nombreux fossiles peuvent être qualifiés de fossiles index (figure ci-dessous). Les ammonites, les trilobites et les graptolites sont souvent utilisés comme fossiles index.

Les microfossiles, qui sont des fossiles d’organismes microscopiques, sont également des fossiles index utiles. Les fossiles d’animaux qui ont dérivé dans les couches supérieures de l’océan sont particulièrement utiles comme fossiles d’index, car ils peuvent être répartis sur de très grandes surfaces.

Une unité biostratigraphique, ou biozone, est une couche de roche géologique qui est définie par un seul fossile d’index ou un assemblage de fossiles. Une biozone peut également être utilisée pour identifier des couches rocheuses sur des distances différentes.

3. Un lit clé peut être utilisé comme un fossile d’indice puisqu’un lit clé est une couche de roche distinctive qui peut être reconnue sur une grande surface. Une unité de cendres volcaniques pourrait être un bon lit clé. Un lit clé célèbre est la couche d’argile à la limite entre la période crétacée et la période tertiaire, l’époque de l’extinction des dinosaures (figure ci-dessous). Cette fine argile contient une forte concentration d’iridium, un élément rare sur Terre mais commun dans les astéroïdes. En 1980, l’équipe père-fils de Luis et Walter Alvarez a proposé qu’un énorme astéroïde ait frappé la Terre il y a 66 millions d’années et ait provoqué l’extinction massive.

L’échelle des temps géologiques

Pour pouvoir discuter de l’histoire de la Terre, les scientifiques avaient besoin d’un moyen de se référer aux périodes au cours desquelles les événements se sont produits et les organismes ont vécu. Grâce aux informations qu’ils ont recueillies à partir des preuves fossiles et en utilisant les principes de Steno, ils ont créé une liste des couches rocheuses, de la plus ancienne à la plus jeune. Ils ont ensuite divisé l’histoire de la Terre en blocs de temps, chaque bloc étant séparé par des événements importants, comme la disparition d’une espèce de fossile dans les archives rocheuses. Comme beaucoup des scientifiques qui ont été les premiers à attribuer des noms aux périodes de l’histoire de la Terre venaient d’Europe, ils ont nommé les blocs de temps d’après des villes ou d’autres lieux locaux où se trouvaient les couches rocheuses qui représentaient cette période.

À partir de ces blocs de temps, les scientifiques ont créé l’échelle des temps géologiques (figure ci-dessous). Dans l’échelle des temps géologiques, les âges les plus jeunes sont en haut et les plus anciens en bas. Pourquoi pensez-vous que les périodes les plus récentes sont divisées plus finement ? Pensez-vous que les divisions de la figure ci-dessous sont proportionnelles à la quantité de temps que chaque période a représenté dans l’histoire de la Terre ?

Dans quel éon, ère, période et époque vivons-nous actuellement ? Nous vivons à l’époque holocène (parfois appelée récente), à la période quaternaire, à l’ère cénozoïque et à l’éon phanérozoïque.

Résumé de la leçon

• Nicholas Steno a formulé au 17e siècle les principes qui permettent aux scientifiques de déterminer les âges relatifs des roches. Steno a déclaré que les roches sédimentaires sont formées en couches horizontales continues, avec des couches plus jeunes sur des couches plus anciennes.
• William Smith et James Hutton ont découvert plus tard les principes de relations transversales et de succession faunique.
• Hutton a également réalisé les vastes quantités de temps qui seraient nécessaires pour créer une discordance et a conclu que la Terre était beaucoup plus vieille que ce que les gens de l’époque pensaient.
• La philosophie directrice de Hutton et des géologues qui sont venus après lui est la suivante : Le présent est la clé du passé.
• Pour corréler des couches rocheuses séparées par une grande distance, recherchez des formations rocheuses sédimentaires étendues et reconnaissables, des fossiles index et des lits clés.
• Les changements de fossiles au fil du temps ont conduit au développement de l’échelle des temps géologiques, qui illustre l’ordre relatif dans lequel les événements sur la Terre se sont produits.

Questions de révision

1. Un fermier du 15e siècle trouve une roche qui ressemble exactement à un bénitier. Qu’a-t-il probablement conclu sur la façon dont le fossile est arrivé là ?
2. Quelle loi de Steno est illustrée par chacune des images de la figure ci-dessous ?
   
3. Quelle est la séquence des unités rocheuses de la figure ci-dessous, de la plus ancienne à la plus jeune ?
   

Quel type de formation géologique est montré dans l’affleurement de la figure ci-dessous, et quelle séquence d’événements représente-t-elle ?


4. Les trois affleurements de la figure ci-dessous sont très éloignés les uns des autres. D’après ce que vous voyez, quel fossile est un fossile index, et pourquoi ?
   
5. Pourquoi l’échelle des temps géologiques primitive n’incluait-elle pas le nombre d’années depuis lequel les événements se sont produits ?
6. Les dinosaures se sont éteints il y a environ 66 millions d’années. Quelle période des temps géologiques a été la dernière au cours de laquelle les dinosaures ont vécu ?
7. Supposez que lors d’une randonnée dans les montagnes de l’Utah, vous trouviez un fossile d’un animal qui vivait au fond de l’océan. Vous apprenez que le fossile date de la période mississippienne. Quel était l’environnement durant le Mississippien en Utah ?
8. Pourquoi les roches sédimentaires sont-elles plus utiles que les roches métamorphiques ou ignées pour établir l’âge relatif des roches ?
9. Qu’est-ce qui est susceptible d’être plus fréquemment trouvé dans les roches : des fossiles de très anciennes créatures marines ou de très anciennes créatures terrestres ?

Lecture complémentaire / Liens supplémentaires

• Un document de l’US Geological Survey sur les roches, les fossiles et le temps : http://pubs.usgs.gov/gip/fossils/contents.html
• Tentez de deviner les fossiles mystères sur ces photos et voyez si vous avez raison. Il y en a d’autres dans les archives : http://www.ucmp.berkeley.edu/exhibits/mysteryfossil/mysteryfossil.php
• Un « Musée virtuel des fossiles » interactif http://fossils.valdosta.edu/.
• Le registre des fossiles en Amérique du Nord http://www.paleoportal.org/.
• Un extrait du livre « Le coquillage au sommet de la montagne » se trouve ici http://alan-cutler.com/excerpt.html
• Déterminer l’âge des roches et des fossiles : http://www.ucmp.berkeley.edu/fosrec/McKinney.html

Points à considérer

• Comment les idées préconçues de l’époque de Steno rendaient les gens aveugles à la réalité de ce que représentent les fossiles ?
• Comment Steno expliquait-il la présence de fossiles marins en haute montagne ?
• Pourquoi la reconnaissance des discordances par Hutton était-elle si importante ?
• Peut-on déterminer les âges relatifs de deux couches rocheuses très éloignées l’une de l’autre ?
• Les mêmes principes utilisés pour étudier l’histoire de la Terre peuvent-ils aussi être utilisés pour étudier l’histoire d’autres planètes ?

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