À la recherche du passé géologique de la planète

La chronologie relative et la reconstitution des événements géologiques

La chronologie relative permet d’ordonner des structures, des strates et des événements géologiques les uns par rapport aux autres, sans leur attribuer d’âge numérique précis. Elle repose sur des principes géométriques et paléontologiques fondamentaux : superposition, continuité, recoupement, inclusion et identité paléontologique.

Méthode
Identifier les strates sédimentaires non déformées : appliquer le principe de superposition (toute strate sédimentaire située au-dessus d'une autre est plus récente que celle qu'elle recouvre) et le principe de continuité (une même couche a le même âge sur toute son étendue).
Rechercher les structures sécantes (failles, intrusions magmatiques, discordances) : appliquer le principe de recoupement (toute structure ou déformation qui en recoupe une autre lui est postérieure).
Observer les enclaves ou éléments inclus : appliquer le principe d'inclusion (tout fragment de roche inclus dans une autre est plus ancien que la roche qui l'englobe).
Analyser le contenu fossilifère : appliquer le principe d'identité paléontologique (deux couches contenant la même association de fossiles stratigraphiques ont le même âge relatif).

Exemple
Sur une coupe géologique, un filon de basalte recoupe une série de calcaires horizontaux A et B (B surmontant A). Ce filon est lui-même décalé par une faille F. Une couche de grès C recouvre l'ensemble horizontalement sans être recoupée ni par le filon ni par la faille. Ordonner ces événements du plus ancien au plus récent.

Corrigé pas à pas
1. Dépôt de la strate calcaire A, puis de la strate B au-dessus (principe de superposition : A est plus ancienne que B).
2. Mise en place du filon de basalte qui recoupe A et B (principe de recoupement : le filon est postérieur à B).
3. Jeu de la faille F qui déplace les couches A et B ainsi que le filon (principe de recoupement : la faille est postérieure au filon).
4. Érosion de la surface supérieure.
5. Dépôt de la couche de grès C qui scelle la faille et le filon (principe de superposition et de recoupement : C est l'élément le plus récent).

Erreurs fréquentes
Confondre l'âge d'une inclusion avec celui de la roche encaissante : les enclaves sont toujours antérieures à la roche qui les contient.
Appliquer le principe de superposition dans des séries sédimentaires plissées ou inversées sans vérifier au préalable les critères de polarité sédimentaire (ex. terriers, granoclassement).

La chronologie absolue et la datation par radiochronologie

La chronologie absolue permet d’attribuer un âge chiffré (en millions ou milliards d’années) à un minéral, une roche ou un fossile. Elle exploite la décroissance radioactive naturelle d'isotopes pères instables ($P$) en isotopes fils stables ($F$), régie par la loi fondamentale : $N_P(t) = N_0 \cdot e^{-\lambda t}$, où $\lambda$ est la constante radioactive propre à chaque isotope.

Méthode
Identifier le couple isotopique adapté à l'ordre de grandeur de l'objet géologique à dater (ex. $^{87}\text{Rb}/^{87}\text{Sr}$ ou $^{40}\text{K}/^{40}\text{Ar}$ pour les roches magmatiques anciennes ; $^{14}\text{C}/^{14}\text{N}$ pour des restes organiques récents).
Fermeture du système : la datation mesure le temps écoulé depuis que le système est devenu thermodynamiquement clos (cristallisation d'un magma, refroidissement sous une température de blocage, mort d'un être vivant).
Dans la méthode Rubidium-Strontium ($^{87}\text{Rb} \rightarrow {}^{87}\text{Sr}$), utiliser l'isotope stable $^{86}\text{Sr}$ comme référence de normalisation.
Mesurer les rapports isotopiques $\frac{^{87}\text{Sr}}{^{86}\text{Sr}}$ et $\frac{^{87}\text{Rb}}{^{86}\text{Sr}}$ dans différents minéraux ou fractions de roche totale issus d'une même roche magmatique.
Tracer la droite isochrone d'équation $y = ax + b$ où $y = \frac{^{87}\text{Sr}}{^{86}\text{Sr}}$ et $x = \frac{^{87}\text{Rb}}{^{86}\text{Sr}}$.
Calculer l'âge $t$ à partir de la pente $a = e^{\lambda t} - 1$, soit $t = \frac{\ln(a + 1)}{\lambda}$.

Exemple
L'analyse isotopique de différents minéraux d'un granite permet d'obtenir une droite isochrone dont le coefficient directeur est $a = 0{,}0045$. Sachant que la constante de désintégration du couple $^{87}\text{Rb}/^{87}\text{Sr}$ est $\lambda = 1{,}42 \times 10^{-11}\text{ an}^{-1}$, calculer l'âge de cristallisation de ce granite.

Corrigé pas à pas
La relation liant la pente $a$ au temps $t$ est $a = e^{\lambda t} - 1$, ce qui donne :
$$t = \frac{\ln(1 + a)}{\lambda}$$
On applique les valeurs numériques :
$$t = \frac{\ln(1 + 0{,}0045)}{1{,}42 \times 10^{-11}} = \frac{\ln(1{,}0045)}{1{,}42 \times 10^{-11}} \approx \frac{0{,}0044899}{1{,}42 \times 10^{-11}} \approx 3{,}16 \times 10^8\text{ ans}$$
Le granite a donc cristallisé il y a environ $316\text{ millions d'années}$ (Carbonifère).

Erreurs fréquentes
Oublier que la radiochronologie date la fermeture du système isotopique et non nécessairement la formation initiale de la matière (un métamorphisme intense peut réouvrir le système et remettre l'horloge isotopique à zéro).
Utiliser le carbone 14 pour dater des roches magmatiques de l'ère primaire : sa période radioactive courte ($T_{1/2} \approx 5730\text{ ans}$) limite son utilisation aux matières organiques de moins de 50 000 ans.

Construire une chronologie relative à partir d'une coupe géologique

1. Étape 1 : Repérer les dépôts sédimentaires basaux et appliquer le principe de superposition pour établir la suite sédimentaire initiale.
2. Étape 2 : Identifier les événements tectoniques de déformation (plis, failles) ou magmatiques (filons, plutons) qui affectent cette série.
3. Étape 3 : Appliquer le principe de recoupement pour placer ces déformations après les couches affectées et avant les couches non affectées.
4. Étape 4 : Détecter les surfaces d'érosion ou de discordance qui marquent une émersion ou une interruption de sédimentation.
5. Étape 5 : Récapituler l'ordre chronologique complet sous forme d'une frise ou d'une liste ordonnée allant du plus ancien au plus récent.

Exemple
Dans une région, on observe des calcaires du Jurassique plissés, sur lesquels repose en discordance angulaire une couche de grès du Crétacé horizontale. Proposer la suite chronologique des événements.

Corrigé pas à pas
1. Dépôt des sédiments calcaires en milieu marin au Jurassique.
2. Diagenèse transformant les sédiments en roche calcaire.
3. Phase de compression tectonique provoquant le plissement des calcaires.
4. Émersion et érosion de la surface plissée.
5. Nouvelle transgression marine au Crétacé et dépôt horizontal des grès sur la surface d'érosion (discordance angulaire).

Déterminer l'âge d'une roche par la méthode isochrone Rubidium-Strontium

1. Étape 1 : Poser l'équation de la droite isochrone issue du bilan de désintégration : $\frac{^{87}\text{Sr}}{^{86}\text{Sr}} = \left(e^{\lambda t} - 1\right) \cdot \frac{^{87}\text{Rb}}{^{86}\text{Sr}} + \left(\frac{^{87}\text{Sr}}{^{86}\text{Sr}}\right)_0$.
2. Étape 2 : Identifier la pente $a = e^{\lambda t} - 1$ à partir des coordonnées de deux points de l'isochrone ou de l'équation donnée : $a = \frac{y_2 - y_1}{x_2 - x_1}$.
3. Étape 3 : Isoler le temps $t$ par transformation logarithmique : $t = \frac{\ln(a + 1)}{\lambda}$.
4. Étape 4 : Calculer numériquement $t$ en veillant à la cohérence des unités temporelles (avec $\lambda = 1{,}42 \times 10^{-11}\text{ an}^{-1}$, $t$ est exprimé en années).

Exemple
Deux minéraux d'une même roche donnent les rapports isotopiques suivants :
Minéral 1 (Biotite) : $x_1 = 3{,}20$ et $y_1 = 0{,}7230$
Minéral 2 (Feldspath) : $x_2 = 0{,}80$ et $y_2 = 0{,}7122$
Calculer la pente $a$ de l'isochrone puis l'âge $t$ de fermeture de la roche magmatique.

Corrigé pas à pas
Calcul de la pente $a$ :
$$a = \frac{y_1 - y_2}{x_1 - x_2} = \frac{0{,}7230 - 0{,}7122}{3{,}20 - 0{,}80} = \frac{0{,}0108}{2{,}40} = 0{,}0045$$
Calcul de l'âge $t$ :
$$t = \frac{\ln(1 + 0{,}0045)}{1{,}42 \times 10^{-11}} \approx \frac{0{,}0044899}{1{,}42 \times 10^{-11}} \approx 3{,}16 \times 10^8\text{ ans}$$
La roche a un âge de fermeture de $316\text{ Ma}$.

Principes de chronologie relative

• Superposition : une strate sédimentaire est plus récente que celle qu'elle recouvre.
• Recoupement : une structure qui en recoupe une autre lui est postérieure.
• Inclusion : tout fragment inclus dans une roche lui est antérieur.
• Continuité : une couche a le même âge sur toute son étendue.
• Identité paléontologique : deux strates contenant la même association de fossiles stratigraphiques ont le même âge relatif.

Radiochronologie et méthode isochrone

• Loi de décroissance radioactive : $N(t) = N_0 \cdot e^{-\lambda t}$, demi-vie $T_{1/2} = \frac{\ln 2}{\lambda}$.
• Méthode $^{87}\text{Rb}/^{87}\text{Sr}$ : équation de droite $y = ax + b$ avec $y = \frac{^{87}\text{Sr}}{^{86}\text{Sr}}$ et $x = \frac{^{87}\text{Rb}}{^{86}\text{Sr}}$.
• Pente de l'isochrone : $a = e^{\lambda t} - 1 \implies t = \frac{\ln(a + 1)}{\lambda}$ (avec $\lambda = 1{,}42 \times 10^{-11}\text{ an}^{-1}$).
• Signification : l'âge obtenu correspond au temps écoulé depuis la fermeture thermodynamique du système isotopique (cristallisation ou refroidissement sous la température de blocage).