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Partie 2 : A la recherche du passé géologique de notre planète

I. Les domaines continentaux révèlent des cycles orogéniques passés.

Les continents associent des domaines dont les roches sont d’âges différents et sont des reliquats d’anciennes chaînes de montagnes qui sont appelées ceintures orogéniques. Ces dernières témoignent de plusieurs cycles, qualifiés de cycles orogéniques, qui se sont succédé au cours de l’histoire de la Terre (cycle cadomien, cycle varisque, cycle alpin) et qui ont conduit à la formation d’une chaîne de montagnes.

Chaque cycle orogénique est marqué par la succession de 3 mêmes phases : 1. formation, puis disparition d’un domaine océanique; 2. formation d’une chaîne de montagnes; 3. disparition de la chaîne de montagnes.

Ainsi, l’histoire de la Terre se caractérise par une périodicité de phases d’ouverture de bassins océaniques et de formation de chaînes de montagnes dont les continents ont gardé la mémoire.

Comment a-t-on pu déterminer l’âge des roches et donc leur appartenance à des périodes différentes ?

II. Les outils pour dater les roches et les phénomènes géologiques

A. La chronologie relative

Différentes techniques et principes permettent de reconstituer la chronologie relative des événements géologiques, c’est-à-dire la succession dans le temps de la mise en place des événements géologiques passés.

1. La chronologie peut se baser sur les relations géométriques entre les structures géologiques (couches, roches …).

Une structure ou un objet géologique est en effet toujours plus ancien.ne :

– que la structure qui la recouvre ; c’est le principe de superposition. Ce principe s’applique essentiellement sur les couches (ou strates) de roches sédimentaires ou volcaniques qui peuvent se superposer. L’application de ce principe peut être compliquée dans des terrains soumis à de fortes déformations [1èreSpé : cas des chevauchements où la superposition est alors inversée].

– que la structure qui la contient ; c’est le principe d’inclusion. Ce principe peut s’appliquer à différentes échelles : un fragment de roche ou un minéral est plus récent que la roche ou le minéral qui le contient.

que la structure qui la recoupe ou la déforme ; c’est le principe de recoupement. Ce principe s’applique en particulier pour les failles, les plis ou les filons qui sont toujours plus récents que les couches affectées par ces phénomènes.

Ces relations peuvent être révélées à différentes échelles : affleurement, macroscopique et microscopique.

Vidéo : les principes de la datation relative

2. La chronologie peut se baser sur la présence de fossiles stratigraphiques

Les fossiles stratigraphiques sont des fossiles ayant évolué rapidement au cours du temps, donc présents sur une courte période géologique, mais très abondants et très largement répartis à l’échelle géographique. C’est le cas des Ammonites, des Trilobites ou de certains Foraminifères (cf TP3), chacun de ces groupes étant caractéristique d’une période géologique particulière.

La présence de fossiles stratigraphiques dans des roches permet ainsi de dater indirectement la roche qui les contient : c’est le principe d’identité paléontologique. De plus, la présence d’associations de fossiles stratigraphiques identiques dans deux formations géologiques différentes permet d’établir des corrélations temporelles entre ces formations ; c’est le principe de corrélation. Ainsi, selon ce principe, deux couches géologiques renfermant la même association de fossiles stratigraphiques sont considérées comme étant de même âge.

Dans certaines situations, les conditions d’utilisation de ces méthode sont complexes, voire impossibles.

B. L’établissement d’une échelle stratigraphique

Les coupures dans le temps sont établies sur des critères paléontologiques : apparition ou disparition de groupes fossiles. Ces changements ont été utilisés pour définir des limites entre les différentes périodes géologiques. Selon l’importance des changements, les limites séparent des périodes plus ou moins longues (ères, étages …).

La prise en compte de données biologiques (fossiles) et pétrographiques (nature des roches) à l’échelle mondiale a permis d’établir une échelle stratigraphique mondiale qui est réexaminée régulièrement afin de tenir compte de nouvelles données.

C. La chronologie absolue

– La détermination de l’âge absolu d’une roche (« quand s’est-elle formée ? »), d’un fossile (« quand vivait-il ? ») ou d’un phénomène géologique (« quand s’est-il produit ? ») repose sur l’exploitation mathématique des quantités de certains éléments radioactifs (éléments pères) ou radiogéniques (éléments fils), contenus dans les minéraux des roches ou des fossiles à dater.

En effet, dans les cristaux d’une roche ou les molécules d’un être vivant, il existe des éléments radioactifs naturels. Or, lorsqu’un cristal se forme à partir d’un magma, on considère que ce cristal constitue un système fermé car il n’existe plus d’échanges de matière entre ce cristal et son environnement (cela se produit également à la mort d’un individu, ses cellules n’effectuant plus d’échanges avec leur environnement).

Nous savons par ailleurs que les différents éléments radioactifs constitutifs de la matière se désintègrent de manière continue, irréversible et régulière au cours du temps. En effet, chaque élément radioactif se caractérise par une demi-vie ou période radioactive, correspondant au temps nécessaire pour que 50 % des éléments contenus dans un « système » se soient désintégrés. La teneur en éléments radioactifs dans un cristal diminue donc progressivement à une vitesse propre à chaque élément radioactif. Ainsi, en déterminant les quantités de l’élément père radioactif et/ou de l’élément fils radiogénique dans un minéral il est possible d’en déduire l’âge de formation de ce minéral, donc de cristallisation du magma. Cette méthode s’applique aux roches magmatiques et métamorphiques, à l’échelle du minéral ou de la roche entière.

– Les différents couples «éléments pères radioactifs – éléments fils radiogéniques » constituent différents chronomètres isotopes dont les périodes radioactives sont différentes. Pour les roches magmatiques ou métamorphiques, les principaux chronomètres isotopiques sont « potassium/argon » (K/Ar) et « rubidium/strontium » (Rb/Sr). Le choix d’un chronomètre dépend donc essentiellement de l’âge supposé de l’objet à dater. La datation au carbone 14 se limite aux 50000 dernières années alors que la datation avec les méthodes K/Ar et Rb/Sr permettent de dater des roches de plusieurs milliards d’années.

– La température de cristallisation variant selon les minéraux d’une roche, la datation absolue peut conduire à des âges différents pour une même roche.

III. A la recherche de marqueurs de cycles orogéniques passés

En France métropolitaine, les datations absolues ont permis de révéler la présence de roches contemporaines de 3 cycles orogéniques passés :

– le cycle cadomien (-670 à -540 MA), visible essentiellement dans le Massif Armoricain

– le cycle varisque ou hercynien (-450 à -280 MA), visible en particulier dans le Massif Armoricain et dans le Massif Central

– le cycle alpin (-100 à actuel), visible en particulier dans les Alpes

Certaines de ces roches sont considérées comme des reliquats des cycles orogéniques passés car elles sont des témoins de quelques étapes d’un cycle orogénique (formation puis fermeture d’un domaine océanique, formation de la chaîne de collision, puis disparition de cette chaîne).

A. Les traces d’une fragmentation continentale et de l’ouverture océanique

Le début d’un cycle orogénique se caractérise par la fragmentation d’un continent qui résulte de mouvements de divergence comme le montre aujourd’hui la zone du Rift Est-africain. Cette formation géologique est appelée rift continental et se caractérise par la présence de failles normales qui limitent des blocs basculés (blocs de croûte continentale), ces structures se mettant en place avant la formation d’un éventuel océan.

https://books.openedition.org/irdeditions/1728

Vidéo : modélisation de la divergence et formation des failles normales

Si le contexte de divergence se poursuit, un rift continental peut évoluer jusqu’à la formation d’un domaine océanique au sein duquel une dorsale est active et crée de la croûte océanique. Dans ces domaines océaniques, les bordures sont appelées marges passives car il n’y a pas d’activité géologique intense (à la différence des marges actives, caractéristiques des zones de subduction, marquées par une activité sismique et volcanique très intense). Les marges passives sont donc caractérisées par des failles normales et des blocs basculés, témoins de la distension initiale. C’est le cas des marges de l’océan Atlantique.

Coupe de la marge passive Atlantique Est (Galice)

Des traces d’anciens rifts continentaux, plus ou moins déformés, peuvent se retrouver aujourd’hui dans des chaînes de montagnes (exemple de la faille d’Ornon dans les Alpes occidentales) et témoignent donc de la phase initiale d’un cycle orogénique.

En France métropolitaine, certaines régions présentent des rifts continentaux avortés, c’est-à-dire n’ayant pas évolué vers un stade d’océanisation avec mise en place d’une croûte océanique (fossé rhénan, fossé de la Limagne).

B. Les traces d’océans disparus

Les ophiolites sont des fragments d’une ancienne lithosphère océanique. Elles sont donc constituées d’une superposition plus ou moins complète des roches de la lithosphère océanique (sédiments, basaltes, gabbros, péridotites).

La présence des ophiolites dans une région témoigne donc de la présence passée d’un domaine océanique, qui a disparu par subduction. Dans les chaînes de montagnes, les ophiolites forment généralement des ensembles, appelés sutures ophiolitiques, car elles sont localisées à la limite entre les deux domaines continentaux. Leur présence et leur localisation témoignent donc du phénomène de collision qui a « enfermé » les restes d’une ancienne lithosphère océanique.

Deux phénomènes géologiques différents peuvent expliquer la présence d’ophiolites à l’affleurement :

– un phénomène d’exhumation (=retour à la surface) qui a suivi un phénomène de subduction : dans ces conditions, les roches constitutives des ophiolites ont subi un métamorphisme de haute pression et de basse température lié à la subduction, avant d’être ramenées en surface (ex : ophiolites du Mont Viso).

– un phénomène d’obduction : dans ce cas, les ophiolites ont chevauché directement le domaine continental sans avoir subi de subduction (ex : ophiolites du Chenaillet, ophiolites d’Oman).

Ainsi, les domaines continentaux renferment des témoins géologiques de la dynamique passée de la lithosphère, marquée par une succession de périodes de fragmentation de la lithosphère continentale et de périodes de collision de blocs continentaux à l’origine de chaînes de montagnes. La géographie passée de la Terre ou paléogéographie a donc évolué au cours du temps et a été marquée par des périodes où tous les continents étaient regroupés, formant un « supercontinent », comme la Pangée (-250 MA) ou Rodinia (environ 1 GA), suivies de périodes de dislocation continentale.

Datation relative : le défi de Lyell