Âges relatifs des roches | Sciences de la Terre


Figure 11.9 : Dent de requin fossile (à gauche) et dents de requin modernes (à droite).

Figure 11.10 : Fossile de Tyrannosaurus rex ressemblant à un organisme vivant.

Bien que cela puisse paraître évident aujourd’hui, la plupart des gens de l’époque ne croyaient pas que les fossiles faisaient autrefois partie d’êtres vivants. La raison en était que les fossiles de palourdes, d’escargots et d’autres animaux marins étaient trouvés dans de hautes montagnes, à des kilomètres de tout océan. Deux écoles de pensée expliquaient ces fossiles. Certains auteurs religieux pensaient que les coquillages avaient été rejetés par la mer lors du déluge biblique. Mais cette explication ne pouvait pas rendre compte du fait que les fossiles n’étaient pas seulement trouvés sur les montagnes, mais aussi à l’intérieur des montagnes, dans des roches extraites des profondeurs de la surface de la Terre. Cherchant une autre explication, d’autres auteurs ont proposé que les fossiles se soient formés dans les roches sous l’effet de forces mystérieuses. En d’autres termes, les coquilles, os et dents fossiles n’ont jamais fait partie d’une créature vivante !

Steno avait d’autres idées. Pour Steno, la ressemblance étroite entre les fossiles et les organismes modernes était impossible à ignorer. Au lieu d’invoquer des forces surnaturelles pour expliquer les fossiles, 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 éloignées de tout océan. Comme dans le Tyrannosaurus rex Figure 11.10, les fossiles ressemblent à des organismes vivants.

Superposition de couches rocheuses

Steno a d’abord proposé que si une roche contenait des fossiles d’animaux marins, elle avait été formée à partir de sédiments qui s’étaient déposés au fond de la mer. Ces roches ont ensuite été soulevées pour devenir des montagnes. À partir de ces hypothèses, Steno a formulé une série remarquable de conjectures qui sont maintenant connues sous le nom de lois de Steno.

Horizontalité originelle

Parce que les sédiments sont déposés sous l’eau, ils formeront des couches plates et horizontales (figure 11.11). Si une roche sédimentaire est trouvée inclinée, c’est que la couche a été inclinée après sa formation.

Figure 11.11 : Couches sédimentaires qui ont été déposées horizontalement.

Continuité latérale

Les sédiments se sont déposés dans des feuilles continues qui enjambent l’étendue d’eau dans laquelle ils ont été déposés. Lorsqu’une vallée traverse des couches sédimentaires, on peut supposer que les roches de chaque côté de la vallée étaient à l’origine continues.

Superposition

Les roches sédimentaires sont déposées les unes sur les autres. Par conséquent, les couches les plus jeunes se trouvent au sommet, et les couches les plus anciennes se trouvent au bas de la séquence.

Relations de recoupement

Figure 11.12 : Relations de recoupement : gneiss rubané plus ancien avec une intrusion de granite blanc. Le granite doit être plus jeune que le gneiss, car il recoupe le gneiss existant.

Une formation rocheuse ou une surface qui recoupe d’autres couches rocheuses est plus jeune que les couches rocheuses qu’elle perturbe. Par exemple, si une intrusion ignée traverse une série de roches métamorphiques, l’intrusion doit être plus jeune que les roches métamorphiques qu’elle coupe (figure 11.12).

Le Grand Canyon fournit une excellente illustration des lois de Steno. La figure 11.13 montre les nombreuses couches horizontales de roches sédimentaires qui composent le canyon. Cela illustre joliment le principe de l’horizontalité originelle. Les couches rocheuses les plus jeunes se trouvent en haut du canyon, tandis que les plus anciennes se trouvent en bas, ce qui est décrit par la loi de superposition. Des couches rocheuses distinctes, telles que le calcaire de Kaibab, peuvent être mises en correspondance sur la grande étendue du canyon. Nous savons que ces couches rocheuses étaient autrefois reliées, ce qui est décrit par la règle de la continuité latérale. Enfin, le fleuve Colorado traverse toutes les couches de roches sédimentaires pour former le canyon. Selon le principe des relations transversales, le fleuve doit être plus jeune que toutes les couches rocheuses qu’il traverse.

Figure 11.13 : Grand Canyon, avec le calcaire de Kaibab visible au sommet du canyon.

Détermination des âges relatifs des roches

L’âge relatif d’une roche est son âge par rapport à d’autres roches. Si vous connaissez l’âge relatif de deux couches rocheuses, vous savez laquelle est la plus ancienne et laquelle est la plus jeune, mais vous ne savez pas quel est l’âge des couches en années. Dans certains cas, il est très délicat de déterminer la séquence d’événements qui conduit à une certaine formation. Prenez l’exemple de la figure 11.14:

Figure 11.14 : Coupe transversale de couches sédimentaires : (A-C) intrusion ignée, (D) coupe transversale, (E) faille.

Le principe des relations transversales stipule qu’une faille ou une intrusion est plus jeune que les roches qu’elle traverse. La faille étiquetée » E » traverse les trois couches de roches sédimentaires (A, B et C) et traverse également l’intrusion (D). La faille doit donc être la formation la plus jeune que l’on voit. L’intrusion (D) traverse les trois couches de roches sédimentaires, elle doit donc être plus jeune que ces couches.

Le principe de superposition stipule que les unités de roches sédimentaires les plus anciennes sont en bas, et les plus jeunes en haut. Sur cette base, la couche C est la plus ancienne, suivie de B et de A. La séquence complète des événements est donc la suivante :

La couche C s’est formée.
La couche B s’est formée.
La couche A s’est formée.
Lorsque les couches A-B-C étaient présentes, l’intrusion D s’est formée.
L’intrusion D a coupé les couches A-C.
La faille E s’est formée, déplaçant les roches A à C et l’intrusion D.
Des phénomènes météorologiques et d’érosion se sont produits, formant une couche de sol sur la couche A.

Unconformités dans les couches de roches

Steno a découvert les règles permettant de déterminer l’âge relatif des lits de roches, mais il n’avait pas une bonne compréhension du temps nécessaire à la formation de ces formations rocheuses. À l’époque, la plupart des Européens pensaient que la Terre avait environ 6 000 ans, un chiffre basé sur le temps estimé pour les événements décrits dans la Bible. L’un des premiers à remettre en question cette échelle de temps fut un géologue écossais nommé James Hutton (1726-1797). Souvent décrit comme le fondateur de la géologie moderne, Hutton a formulé une philosophie appelée uniformitarisme : Le présent est la clé du passé. Selon l’uniformitarisme, les mêmes processus que nous observons aujourd’hui autour de nous ont également fonctionné dans le passé. Par exemple, si l’érosion et le dépôt se produisent lentement aujourd’hui, ils se sont probablement toujours produits lentement.

Hutton a découvert des endroits où des lits de roches sédimentaires reposent sur une surface érodée. Une telle formation est appelée une discordance, ou une lacune dans les couches rocheuses, où certaines roches ont été érodées. Hutton a reconstitué la séquence des événements qui ont conduit à cette formation. Prenons par exemple la célèbre discordance de Siccar Point, sur la côte écossaise (figure 11.15).

Figure 11.15 : La discordance de Hutton sur la côte écossaise.

Sur la base de la figure 15, on peut déduire au moins neuf événements géologiques :

Une série de lits sédimentaires est déposée sur un fond océanique.
Les sédiments durcissent pour devenir des roches sédimentaires.
Les roches sédimentaires sont soulevées et inclinées, les exposant au-dessus de la surface de l’océan.
Les lits inclinés sont érodés par la pluie, la glace et le vent pour former une surface irrégulière.
Une mer recouvre les couches de roches sédimentaires érodées.
De nouvelles couches sédimentaires sont déposées.
Les nouvelles couches durcissent en roches sédimentaires.
Ces couches sont inclinées.
Un soulèvement se produit, exposant les nouvelles roches sédimentaires au-dessus de la surface de l’océan.

Hutton a réalisé qu’une énorme période de temps était nécessaire pour rendre compte des épisodes répétés de dépôt, de formation de roches, de soulèvement et d’érosion qui ont conduit à la formation d’une discordance, comme celle de Siccar Point. Hutton a réalisé 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, mais sont inutiles lorsque les roches sont distantes de plusieurs kilomètres, voire de continents. Trois types d’indices aident les géologues à faire correspondre les couches rocheuses sur de grandes distances. Le premier est le fait que certaines formations rocheuses sédimentaires s’étendent sur de vastes distances, reconnaissables à travers de grandes régions. Par exemple, la formation du schiste de Pierre est reconnaissable dans les grandes plaines, du Nouveau-Mexique au Dakota du Nord. Les célèbres falaises blanches de Douvres, dans le sud-ouest de l’Angleterre, peuvent être mises en correspondance avec des falaises blanches similaires au Danemark et en Allemagne.

Un deuxième indice pourrait être la présence d’un lit clé, ou d’une couche de roche particulièrement distinctive qui peut être reconnue à travers une grande zone. Les coulées de cendres volcaniques sont souvent utiles comme lits clés, car elles sont répandues et faciles à identifier. L’exemple le plus célèbre de lit clé est probablement une couche d’argile trouvée à la limite entre le Crétacé et le Tertiaire, époque à laquelle les dinosaures ont disparu (figure 11.16). Cette fine couche de sédiments, de quelques centimètres d’épaisseur seulement, contient une forte concentration de l’élément iridium. L’iridium est rare sur Terre mais commun dans les astéroïdes. En 1980, une équipe de scientifiques dirigée par Luis Alvarez et son fils Walter a proposé qu’un énorme astéroïde ait frappé la Terre il y a environ 66 millions d’années, provoquant des feux de forêt, des pluies acides et des changements climatiques qui ont anéanti les dinosaures.

Figure 11.16 : Couche blanche d’argile qui marque la limite Crétacé-Tertiaire.

Figure 11.17 : Échelle des temps géologiques.

Un troisième type d’indice qui aide les scientifiques à comparer différentes couches rocheuses est celui des fossiles index. Rappelons que les fossiles index sont les restes d’organismes qui étaient répandus mais qui n’ont existé que pendant une période de temps relativement courte. Si deux unités rocheuses contiennent toutes deux le même type de fossile index, leur âge est probablement très similaire.

Au fur et à mesure que les scientifiques ont collecté des fossiles dans le monde entier, ils ont reconnu que les roches d’âges différents contiennent des types de fossiles distinctifs. Ce schéma a conduit à la création de l’échelle des temps géologiques et a contribué à inspirer la théorie de l’évolution de Darwin (figure 11.17).

Chaque ère, période et époque de l’échelle des temps géologiques est définie par les fossiles apparus à cette époque. Par exemple, les roches paléozoïques contiennent généralement des trilobites, des brachiopodes et des fossiles de crinoïdes. La présence d’os de dinosaures indique qu’une roche est de l’ère mésozoïque, et le type particulier de dinosaure permettra d’identifier la roche comme étant du Trias, du Jurassique ou du Crétacé. L’ère cénozoïque est également connue comme l’âge des mammifères, et la période quaternaire représente le moment où les premiers humains se sont répandus sur Terre.

Résumé de la leçon

Nicholas Steno a formulé pour la première fois les principes qui permettent aux scientifiques de déterminer l’âge relatif des roches au 17ème siècle. Steno a déclaré que les roches sédimentaires se forment en couches horizontales continues, avec des couches plus jeunes sur des couches plus anciennes. Un siècle plus tard, James Hutton a découvert la loi des relations transversales : une faille ou une intrusion ignée est plus jeune que les roches qu’elle traverse. Hutton a également été le premier à réaliser les grandes quantités de temps nécessaires pour créer une discordance, un endroit où les roches sédimentaires reposent au-dessus d’une surface érodée.

D’autres méthodes entrent en jeu lorsqu’il s’agit de comparer des couches rocheuses séparées par une grande distance. De nombreuses formations de roches sédimentaires sont grandes et peuvent être reconnues à travers une région. Des couches rocheuses distinctives, appelées lits clés, sont également utiles pour corréler les unités rocheuses. Les fossiles, en particulier les fossiles index, sont le moyen le plus utile de comparer différentes couches rocheuses. Les changements de fossiles au fil du temps ont conduit au développement de l’échelle des temps géologiques.

Questions de révision

Au 15e siècle, un fermier trouve une roche qui ressemble exactement à un bénitier. Qu’est-ce que le fermier a probablement conclu sur la façon dont le fossile est arrivé là ?
Quelle loi de Steno est illustrée par chacune des images suivantes de la figure 11.18 ?
Quelle est la séquence des unités rocheuses de la figure 11.19, de la plus ancienne à la plus jeune ?
Quel type de formation géologique est montré dans l’affleurement de la figure 11.20, et quelle séquence d’événements représente-t-elle ?
Les trois affleurements de la figure 11.21 sont très éloignés les uns des autres. D’après ce que vous voyez, quel fossile est un fossile index, et pourquoi ?

Figure 11.18 : illustration des lois de Steno.

Figure 11.19 : Séquence d’unités rocheuses.

Figure 11.20 : Affleurement.

Figure 11.21 : Fossiles.

Vocabulaire

relations transversales Un des principes de Steno qui stipule qu’une intrusion ou une faille est plus jeune que les roches qu’elle traverse. échelle des temps géologiques Division de l’histoire de la Terre en blocs de temps distingués par des événements géologiques et évolutifs. lit clé Couche rocheuse distinctive et étendue qui s’est formée à une seule époque. continuité latérale Un des principes de Sténo qui stipule qu’une couche de roche sédimentaire s’étend latéralement aussi large que le bassin dans lequel elle se forme. horizontalité originelle L’un des principes de Sténon selon lequel les couches sédimentaires étaient horizontales ou plates au moment de leur dépôt. âge relatif L’âge d’un objet par rapport à celui d’autres objets. superposition L’un des principes de Sténon selon lequel, dans une séquence de couches de roches sédimentaires, la couche la plus ancienne se trouve en bas et la plus jeune en haut. discordance Limite entre des roches d’âge très différent. Les discordances sont souvent marquées par une surface d’érosion. uniformitarisme Idée selon laquelle les processus géologiques qui façonnent la terre aujourd’hui ont agi fondamentalement de la même manière tout au long de l’histoire de la Terre.

Points à considérer

A l’époque de Nicholas Steno, pourquoi la plupart des gens ne croyaient-ils pas que les fossiles étaient les restes d’organismes anciens ?
Comment Steno expliquait-il la présence de fossiles marins en haute montagne ?
Quelle était la signification des discordances pour James Hutton ?
Comment peut-on déterminer l’âge relatif de deux couches rocheuses très éloignées l’une de l’autre ?