Fossiles et datation relative

I. Fossiles et fossilisation

 

Un fossile est un reste ou une trace d’un être vivant qui a vécu il y a très longtemps et a laissé une trace de son passage. Cela peut être des dents, des os, des coquilles, des restes de feuilles. Le plus souvent ces restes sont minéralisés. Les êtres vivants sont caractérisés par leur contenu en matière organique et, à leur mort, ils peuvent se fossiliser dans des conditions de conservation particulières. C’est par exemple être à l’abri du dioxygène : il faut que les restes soient enfouis en profondeur car le dioxygène présent dans l’atmosphère viendrait oxyder et détruire les tissus même les plus résistants.

Lorsque les conditions de fossilisation sont réunies, les restes des êtres vivants vont se minéraliser : petit à petit, la matière organique est remplacée par des molécules minérales, tout en laissant une trace. On peut retrouver dans certaines roches des traces de coquilles, de fougères, d’animaux, etc. 

 

II. De Smith à Darwin : principes de la datation par les fossiles

 

L’utilisation des fossiles n’est pas très ancienne : au cours du XVIIIe siècle, William Smith a fait des observations en Angleterre et a remarqué que pour une strate (une couche de roche donnée), il y avait un assemblage particulier de fossiles. Il a aussi remarqué que si l’on observait différentes strates à un endroit puis à un autre endroit, on allait retrouver les mêmes enchaînements verticaux d’assemblages de fossiles. A l’époque, il n’y a pas eu d’interprétation très précise de cette découverte, car on considérait que les espèces avaient été créées telles quelles, qu’elles étaient fixes et n’évoluaient pas au cours du temps.

En revanche avec les travaux de Charles Darwin au cours du XIXe siècle, s’est imposée petit à petit l’idée d’évolution des êtres vivants et des espèces au cours du temps. Certaines apparaissent, d’autres disparaissent et il devient alors pertinent de s’intéresser au contenu en fossile d’une strate. En effet, grâce à cela on va pouvoir reconstituer des paléo-environnements. On admet donc que l’environnement (conditions physico-chimiques, peuplements en animaux et en végétaux) a pu changer au cours du temps.

À partir de là, on va tenter de retrouver quel est le peuplement caractéristique de chaque époque car on peut savoir à quelle époque correspond un assemblage particulier de fossiles.

Ainsi on sait dater les strates : c’est le principe de la datation relative. On ordonne dans le temps des strates (on parle d’un ordre chronologique) et donc des événements géologiques en pouvant remonter très loin en fonction de ce qu’on trouve comme contenu fossilifère. Aujourd’hui, cette datation relative cherche à placer les événements chronologiquement et à les compléter par la datation absolue qui donne une date précise à un événement géologique particulier.

 

III. Méthode de fossiles pilotes (fossiles stratigraphiques)

 

Pour être un bon fossile utilisable pour une datation relative, une espèce doit se retrouver horizontalement à différents endroits. On dit que sa répartition horizontale doit être la plus vaste possible. En effet, plus on le trouve en différents lieux, plus il est fiable, plus c’est un indicateur d’une époque particulière.

En revanche, il faut qu’il ait une extension verticale la plus limitée possible. L’extension verticale d’un fossile traduit le nombre de couches et l’épaisseur dans lequel on le trouve. Plus on le trouve dans des couches entassées verticalement, plus ce fossile a vécu pendant longtemps. Ainsi pour dater, on a intérêt à ce que l’extension verticale soit faible, c’est-à-dire que le fossile ait vécu pendant un laps de temps relativement court, et qu’il ait une extension horizontale importante.

 

fossile

 

Ce schéma très simplifié montre une application du principe d’utilisation des bons fossiles stratigraphiques. Il y a un enchaînement de strates découpées mais reconnaissables par leur couleur et par leur contenu en fossiles.

Le trilobite se trouve uniquement en un lieu (sur trois), donc on peut dire que son extension horizontale est relativement faible. Ce ne sera pas un bon fossile stratigraphique.

Si on cherche le meilleur fossile stratigraphique pour dater relativement les événements, on s’aperçoit que le gastropode se trouve dans quatre couches de quatre couleurs différentes sur le site à gauche du schéma et sur deux couches à droite, ce n’est donc pas forcément le meilleur fossile.

Si on les compare, on se rend compte que c’est le fossile d’ammonite qui a l’extension horizontale la plus importante et l’extension verticale la plus restreinte. Il n’est caractéristique que de la couche la plus orange. Si on trouve cette ammonite, on saura qu’on est dans la couche de couleur brique et on peut dater cette couche par rapport à d’autres événements géologiques.

Un bon fossile stratigraphique, ce sont aussi les foraminifères qui ont permis d’étudier la crise Crétacé-Tertiaire (KT), c’est-à-dire la transition brutale entre la période du Crétacé et la période Tertiaire.

 

IV. Exemple des foraminifères à la crise KT

 

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Ces foraminifères se répartissent en différents groupes, notamment les Globigérinidés et les Globotruncanidés. Parce-qu’ils sont de bons fossiles stratigraphiques, ils ont permis d’étudier un certain nombre d’événements, notamment ceux de la crise Crétacé-Tertiaire, il y a environ 65 à 66 millions d’années.

 

V. Méthode des assemblages fossilifères

 

Au-delà de l’étude d’un seul fossile, ce sont les assemblages fossilifères qui sont utiles à la datation. On peut faire l’analogie avec la datation d’un événement qu’on pourrait dire actuel : on essaie de dater une photo de famille.

 

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On voit 4 générations : de l’arrière grand-père au bébé dans ses bras. Si on essaie de savoir quand a été prise cette photo, on procède par recoupement.

 

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On représente un échelle de temps et on tente de montrer la durée de vie des individus qu’on voit sur la photo. L’arrière grand-père est né au début du XXe siècle et est mort au début du XXIe siècle. On a représenté sa durée de vie en bleu. On a fait de même pour les trois autres personnages. On peut se rendre compte que la seule période à laquelle a pu être prise cette photo, c’est la période à laquelle les 4 individus étaient vivants. Si on prend leurs dates de naissance et de décès, alors cette photo ne peut avoir été prise qu’au début des années 2000. Avant, le fils n’était pas né, après, l’arrière grand père était déjà décédé.

On procède de la même façon avec des assemblages de fossiles. On essaie de dater leur apparition et leur disparition, c’est beaucoup moins facile et beaucoup moins précis que sur un cliché récent du XXIe siècle, mais en datant l’apparition et la disparition d’un très grand nombre de fossiles, par recoupement on réussit ensuite à dater des strates par leur contenu et plus précisément par leur collection de fossiles.

 

Conclusion

 

Depuis le XVIIIe siècle, on utilise les fossiles et plus précisément les assemblages de fossiles pour dater des couches de roches qu’on appelle des strates. Cette datation consiste à reclasser les événements dans un ordre chronologique : c’est la datation relative.

Aujourd’hui, les fossiles sont utilisés pour dater, mais on peut aussi dater un fossile car il appartient à telle ou telle strate, donc on utilise aussi la datation relative pour dater des restes ou des traces d’êtres vivants que l’on trouve. Cette datation relative est complémentaire de la datation absolue qui cherche par des méthodes physico-chimiques à donner une date précise à une roche ou à un événement.

La datation relative fait très souvent appel aux contenus fossilifères mais nous verrons qu’il existe d’autres méthodes pour ordonner chronologiquement des événements les uns par rapport aux autres.

Les grands principes de la datation relative

I. Principe d’actualisme

 

Le principe d’actualisme stipule que les processus qui s’exerçaient dans le passé s’exercent toujours. Les lois physico-chimiques observées sur Terre n’ont pas changé et les mêmes causes provoquent les mêmes effets. Ainsi, on utilise le présent pour interpréter ce qui a pu se passer dans le passé.

Par exemple, on sait que les coraux qu’on trouve à différents endroits des océans vivent dans des eaux salées, chaudes et à faible profondeur (entre 0 et 20 m). À des profondeurs supérieures, ils manquent de lumière et il n’y en a plus au-delà de 70 m de profondeur. On considère que c’était la même chose par le passé.

Ainsi, quand on retrouve des coraux fossilisés comme ci-contre, on sait que cette roche s’est formée à partir d’êtres vivants qui ont vécu à faible profondeur. Cela permet de reconstituer un paléo-environnement.

 

II. Les quatre principes permettant de dater relativement des événements géologiques

 

Ces principes s’appliquent aux strates (aux couches de roches sédimentaires ou magmatiques). Ces strates sont formées à l’horizontale, on parle de principe d’horizontalité primaire. En effet, ces strates de roches d’origine sédimentaire se forment au fond de l’eau : la mer, l’océan, les lacs, et par dépôt de sédiments. Ces dépôts de sédiments sont compressés, ils se déshydratent et se transforment. On passe de l’état sédimentaire à l’état de roche sédimentaire. Cette transformation s’appelle la diagenèse.

 

A. Principe de continuité

Le principe de continuité considère que dans une roche sédimentaire d’une même strate, tout le contenu a le même âge. C’est vrai lorsque la couche n’est pas très épaisse, on peut considérer que tous les sédiments de cette couche se sont déposés à la même époque.

 

superposition

 

Voici un diagramme qui permet d’illustrer plusieurs des principes de datation relative : on prend une couche, par exemple celle du haut (la couche E) et on considère par principe de continuité que tous les points de cette couche sont de même âge. C’est une approximation valable lorsqu’on travaille sur de grandes échelles de temps, l’échelle des temps géologiques.

On considère aussi qu’éventuellement des strates ou des mini couches qui auraient un même toit, c’est-à-dire des couches identiques au-dessus, et un même mur, c’est-à-dire des couches identiques en-dessous, sont de même âge.

 

B. Principe de superposition

Le principe de superposition a été découvert par Niels Stensen, un Danois qui a travaillé au XVIIe siècle et qui a compris que les couches se sont formées successivement et donc que les sédiments se sont déposés les uns par rapport aux autres de façon verticale.

Le principe de superposition dit que lorsqu’on a deux couches (à moins qu’elles aient été transformées secondairement) celle qui est au-dessus est plus récente que celle qui est au-dessous. Si on considère les cinq couches A, B, C, D et E représentées sur le diagramme précédent : elle sont classées de la plus ancienne (la A) à la plus récente (la E).

Toutefois, on sait que ces roches formées à l’horizontale peuvent ensuite subir des transformations et des mécanismes de modification tectonique, si bien qu’il y a des événements de compression qui viennent former des plis ou, éventuellement, qui vont retourner de grands ensembles de couches. Alors, ce principe de superposition peut, par endroit, ne plus être respecté. Cela signifie qu’il y a un événement secondaire post-dépôt et post-sédimentation qui est venu perturber. En l’absence d’événement tectonique secondaire, le principe de superposition dit que l’ordre vertical des couches nous renseigne sur l’ordre de dépôt chronologique.

 

etretat

 

Sur cette photo de falaises à Étretat, on distingue clairement un empilement de roches calcaires. Ces roches se sont formées par empilements successifs de sédiments d’origine calcaire et il s’agit en fait de coquilles de petits organismes planctoniques, des mini algues microscopiques (voir ci-dessous), ce sont des coccolithophoridés.  C’est l’empilement au cours des millions d’années de tests, on appelle ça les coccolithes (les coquilles de ces algues, qui se sont ensuite fossilisées et qui ont permis la formation sur une très grande épaisseur des falaises calcaire d’Étretat).

 

empilements

 

Sur la photo, on voit les couches successives et on peut dire que les roches calcaires les plus anciennes sont celles qui se trouvent vers le niveau de la mer, celles qui sont les plus profondes au niveau vertical. Les couches les plus récentes correspondent aux dépôts les plus récents, ce sont ceux qui se trouvent vers le haut de la falaise, là où on peut distinguer de la végétation.

 

C. Principe de recoupement

Le principe de recoupement stipule que tout événement géologique qui en recoupe un autre lui est postérieur. Lorsqu’une roche, une strate ou tout autre matériau géologique est affecté par la mise en place d’un autre événement, d’une autre roche, d’une autre couche, on peut dire que celle qui a été affectée était là avant celle qui vient affecter la première.

Sur le même diagramme, on s’intéresse aux matériaux géologiques F et G. F peut représenter un pluton granitique : du matériau chaud qui aurait traversé les couches. G peut correspondre à un événement magmatique, on parle parfois de filon pour décrire ce genre d’insertion de roche dans des roches préformées. On se rends compte que l’événement F affecte les couches A, B et C. Il leur est donc postérieur. Il affecte aussi le filon représenté en orange (la couche G). Il est donc postérieur à la couche G. L’événement G affecte les couches A, B et C, il s’est produit après la formation de ces roches sédimentaires.

On a ici l’ordre chronologique de dépôts de roches sédimentaires (A<B<C<D<E), on peut aussi dire que les événements A, B et C, dépôts sédimentaires, se sont produits avant l’événement G, qui les recoupe, lui même produit avant l’événement F, la mise en place de ce pluton de granite, qui recoupe toutes ces couches (A<B<C<G<F). En revanche, il n’y a pas de lien physique entre F, D et E. On ne peut donc pas dire si l’événement F s’est produit avant ou après la mise en place des roches sédimentaires D et E. On sait que F a eu lieu après C mais on ne peut pas le classer dans le temps par rapport à l’événement D.

 

discordance

 

Voici un schéma d’une discordance angulaire. Comme dans le schéma précédent, on a représenté des couches sédimentaires  A, B, C, D et E mais cette fois elles ne sont plus empilées horizontalement. On constate que les couches A, B, C et D sont plissées. Or, , elles se sont déposées et formées d’abord à l’horizontale. Il y a donc eu une compression après la phase de dépôt qui a permis de passer de l’état horizontal à l’état plissé pour les premières couches.

En revanche, on parle de contact anormal pour la couche E. Il y a d’abord eu formation des roches sédimentaires A, B, C et D. Ces quatre couches se sont formées à l’horizontal par des dépôts et de la diagénèse. Puis il y a eu une phase de compression qui a plissé ces couches. La mer s’étant peut-être retirée, il y a eu une érosion qui a affecté les couches C et D, ce qui fait qu’une partie de ces couches a disparu. Puis il y a certainement eu un retour de la mer et des conditions de sédimentation et dépôt à l’horizontal de la couche E. On parle donc de contact anormal entre les couches E et D mais également E et C.

 

D. Principe d’inclusion

Une inclusion est quelque chose qui se trouve dans autre chose. En géologie, on dit que toute inclusion est plus ancienne que la structure qui la contient, la structure dans laquelle elle est incluse.

 

inclusions

 

Trois images pour illustrer ce principe d’inclusion :

– Un fragment d’ambre avec un arachnide à l’intérieur : on peut dire que l’araignée a vécu avant la formation de l’ambre, elle est incluse dedans.

– Un conglomérat : il s’agit de gros fragments, un peu comme des galets, inclus dans une roche plus globale, une matrice, l’ensemble formant le conglomérat. On peut dire que les galets unitaires que l’on voit dans ce bloc précèdent la formation de cette couche sédimentaire qu’est le conglomérat.

– Une observation microscopique : on a un zircon qui est un minéral inclus dans un autre minéral marron (une biotite, c’est-à-dire un mica noir). L’inclusion de ce zircon permet de dire que celui-ci est antérieur à la formation de la biotite. Ce zircon permet une datation relative, il est antérieur à la biotite.