Datation relative : superposition, recoupement et reconstitution d'une histoire géologique

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Reconstituer l'ordre des événements géologiques

La datation relative consiste à classer des événements géologiques (dépôts, déformations, intrusions, érosions) du plus ancien au plus récent, sans leur attribuer d'âge en années. Elle repose sur des principes de raisonnement applicables à l'échelle d'un affleurement. Les fossiles permettent ensuite de comparer des affleurements éloignés.

Les principes

• Superposition : dans une série sédimentaire non renversée, chaque couche est plus récente que celle qui lui sert de support.
• Horizontalité initiale : les sédiments se déposent en couches presque horizontales. Une couche fortement inclinée a donc été déformée après son dépôt.
• Continuité : une couche a le même âge sur toute son extension latérale, même si une vallée ou une faille l'a séparée en morceaux.
• Recoupement : une structure qui en coupe une autre (faille, filon magmatique, surface d'érosion) est postérieure à celle qu'elle coupe.
• Inclusion : un fragment (galet, enclave) inclus dans une roche est plus ancien que cette roche, puisqu'il existait déjà quand elle s'est formée.
• Identité paléontologique : des couches qui renferment les mêmes fossiles stratigraphiques ont le même âge.

Vocabulaire rigoureux

Un fossile stratigraphique appartient à une espèce qui a vécu peu de temps, sur une vaste aire géographique, et qui est abondante et reconnaissable. Son intervalle de présence s'étend de son apparition à sa disparition. Quand une couche renferme plusieurs fossiles, son âge est borné par l'intervalle de coexistence, c'est-à-dire l'intersection de leurs intervalles. Un dyke (ou filon) est du magma refroidi dans une fracture. Une discordance angulaire sépare des couches inclinées, plus anciennes, de couches horizontales plus récentes qui reposent sur une surface d'érosion. Une lacune stratigraphique (hiatus) est une durée dont aucun dépôt n'est conservé, par absence de dépôt ou par érosion. Un remaniement désigne un élément (galet, fossile) arraché à une roche ancienne puis incorporé à un sédiment plus récent.

Méthode

1. Repérer les contacts entre ensembles et déterminer de quel côté se trouve le sommet des couches (polarité).
2. Choisir le principe adapté à chaque contact : superposition, recoupement ou inclusion.
3. Numéroter les événements de 1 (le plus ancien) à n.
4. Encadrer les âges avec les intervalles de coexistence des fossiles.
5. Signaler explicitement tout ordre qui reste indéterminé.

Exemple analysé

Sur une falaise, des marnes inclinées à 30° sont surmontées de calcaires horizontaux. Une surface irrégulière, qui tronque les marnes, les sépare. Les marnes contiennent un fossile F présent de l'étage 2 à l'étage 4. Les calcaires contiennent un fossile G présent de l'étage 7 à l'étage 8. Le raisonnement est le suivant. Les marnes se sont d'abord déposées en couches horizontales. Elles ont ensuite été basculées, car l'inclinaison est postérieure au dépôt. La surface d'érosion les a ensuite tronquées. Enfin, les calcaires se sont déposés sur cette surface. Si leur base renferme des galets de marne, l'inclusion confirme que les marnes sont plus anciennes. Les marnes datent au plus tard de l'étage 4 et les calcaires au plus tôt de l'étage 7. Les étages 5 et 6 ne sont donc enregistrés par aucune roche à cet endroit, ce qui constitue une lacune d'au moins deux étages.

Piège à éviter

La datation relative ne fournit ni durée ni vitesse. Une couche épaisse n'a pas forcément mis plus de temps à se former qu'une couche mince. La superposition ne s'applique qu'après vérification de la polarité : dans une série renversée par un pli ou un charriage, la couche la plus haute peut être la plus ancienne. Enfin, l'absence d'un fossile dans une couche ne prouve pas que l'espèce n'existait pas. Un fossile remanié ne date pas la roche qui le contient : il fournit seulement un âge maximal.

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Histoire d'une falaise : la coupe de la Pointe de Kerval

Situation-problème. Sur la falaise fictive de la Pointe de Kerval, un géologue relève cinq ensembles de roches, un filon de basalte, une surface d'érosion et une faille. Plusieurs élèves proposent des chronologies contradictoires. À partir des documents, vous devez reconstituer l'ordre des événements, encadrer l'âge des dépôts grâce aux fossiles, puis décider ce que les données permettent d'affirmer ou non. Toutes les données ci-dessous sont des Données pédagogiques simplifiées : elles ne proviennent d'aucune étude réelle et l'on suppose que la compaction est négligeable.

Document 1 : les ensembles rocheux (Données pédagogiques simplifiées)

Document 2 : compte rendu d'observation de terrain

Les granoclassements et les rides de courant des ensembles inclinés indiquent que le sommet des strates est tourné vers l'ouest. S1 affleure à l'est, S3 à l'ouest et S2 entre les deux. Un filon de basalte D, large de 1,2 m, traverse S1, S2 et S3 sans les décaler. Une surface irrégulière E, creusée de dépressions d'environ 1 m, coupe les strates inclinées ainsi que le sommet du filon D. S4 et S5 reposent sur E et comblent ses dépressions. La base de S4 renferme des galets arrondis : certains sont en calcaire bleuté contenant F1 et F2, d'autres en basalte identique à D. Une faille verticale décale de 2 m tous les ensembles et le filon, jusqu'au sommet de S5. Le sol actuel recouvre la faille sans être décalé.

Document 3 : intervalles de présence des fossiles (Données pédagogiques simplifiées)

Les étages E1 à E9 se succèdent du plus ancien au plus récent. Durées : E4 = 3 Ma, E5 = 2 Ma, E6 = 2 Ma, E7 = 2 Ma, E8 = 1,5 Ma.

Exercice 1 : ordonner les événements par les contacts

1. Justifiez l'ordre de dépôt de S1, S2 et S3 en précisant la condition qui valide le principe utilisé.
2. Situez le filon D par rapport à S3, puis par rapport à S4, en citant à chaque fois l'observation et le principe.
3. Expliquez pourquoi E est une discordance angulaire et nommez les deux événements, liés à la discordance, qui se sont produits entre le dépôt de S3 et celui de S4 (en dehors de la mise en place du filon D).
4. Situez la faille par rapport aux autres événements.

Exercice 2 : encadrer les âges et chiffrer

1. Déterminez pour chaque ensemble S1 à S5 l'intervalle d'âge permis par ses fossiles.
2. Montrez qu'il existe une lacune entre S3 et S4 et calculez sa durée minimale.
3. Calculez la vitesse minimale de sédimentation de S5, en mètres par million d'années puis en millimètres par millier d'années.
4. Expliquez pourquoi les fossiles F1 et F2 des galets de S4 ne permettent pas de dater S4.

Exercice 3 : argumenter et confronter

1. Proposez la chronologie complète des événements, numérotés du plus ancien au plus récent, en signalant tout ordre indéterminé.
2. Un élève affirme : « Le filon D est contemporain de S4, car il touche S4. » Un autre affirme : « S1 ne contient pas F2, donc S1 est antérieur à l'étage E2. » Évaluez chaque affirmation avec les documents.
3. Expliquez pourquoi cette seule coupe ne permet pas de conclure que toute la région a connu la même histoire.

Correction complète

Exercice 1 : correction

1. Par le principe de superposition, une couche est plus récente que celle qui la supporte. La condition est que la série ne soit pas renversée. Ici le Document 2 indique que le sommet des strates est à l'ouest (granoclassement, rides). S1 est donc le plus ancien, puis S2, puis S3 : S1 < S2 < S3. L'inclinaison de 40° n'est pas d'origine, d'après l'horizontalité initiale : elle est postérieure au dépôt de S3.
2. D traverse S1, S2 et S3 sans les décaler. Par recoupement, D est postérieur à S3. D'autre part, S4 contient des galets de basalte identiques à D. Par inclusion, D est antérieur à S4. Cela est cohérent avec la troncature de D par E.
3. E coupe des strates inclinées et supporte des couches horizontales : c'est une discordance angulaire. Entre S3 et S4 se sont produits d'abord le basculement (E tronque des strates déjà inclinées), puis l'érosion qui a creusé E. La mise en place du filon D a eu lieu dans le même intervalle (après S3, avant E), mais elle n'est pas l'un des deux événements qui définissent la discordance.
4. La faille décale S5, la couche la plus récente, ainsi que tout le reste, et elle est recouverte par un sol non décalé. Elle est donc la dernière déformation enregistrée, postérieure à la formation de S5 et antérieure à la formation du sol actuel.

Critères de réussite : chaque réponse associe une observation précise à un principe nommé, et la condition de polarité est citée.

Exercice 2 : correction

1. Intervalle de coexistence : S1 contient F1 seul, donc E1 à E3. S2 : F1 (E1 à E3) et F2 (E2 à E4) donnent E2 à E3. S3 : F2 (E2 à E4) et F3 (E4 à E5) donnent E4. S4 : F4 seul, donc E6 à E8. S5 : F4 (E6 à E8) et F5 (E7 à E9) donnent E7 à E8.
2. S3 date de E4 et S4 de E6 au plus tôt. L'étage E5 n'est enregistré par aucune roche de la coupe, d'où une lacune. Sa durée minimale est celle de E5 : 2 Ma. Elle peut être supérieure à 2 Ma, car une partie de E4 et de E6 peut manquer aussi, et l'érosion a pu retirer des roches inconnues.
3. S5 s'est déposé au plus pendant E7 et E8, soit 2 + 1,5 = 3,5 Ma. La vitesse est donc au moins égale à 10 m / 3,5 Ma ≈ 2,9 m/Ma, soit 2,9 mm par millier d'années. C'est un minimum, car la durée réelle peut être plus courte.
4. Les galets sont remaniés : ils proviennent de roches plus anciennes, d'âge E2 à E3 d'après F1 et F2. Ils donnent seulement un âge maximal : S4 est plus récent qu'eux. Seuls les fossiles de la matrice, F4, datent le dépôt de S4 (E6 à E8).

Critères de réussite : intersections correctes, durée minimale justifiée par un étage entier absent, unités convenables, distinction entre fossile remanié et fossile du dépôt.

Exercice 3 : correction

1. Chronologie : 1. dépôt de S1 ; 2. dépôt de S2 ; 3. dépôt de S3 ; 4 et 5. basculement des strates et mise en place du filon D, dans un ordre indéterminé, car les documents établissent seulement que ces deux événements suivent S3 et précèdent E ; 6. érosion et creusement de E, qui tronque strates et filon ; 7. dépôt de S4 ; 8. dépôt de S5 ; 9. faille, dernière déformation enregistrée ; 10. formation du sol actuel, qui recouvre la faille.
2. Première affirmation : fausse. D est tronqué par E et fournit des galets à S4. Il est donc antérieur à S4 et non contemporain. Un simple contact ne donne pas l'âge relatif, c'est la nature du contact qui compte (inclusion, troncature). Deuxième affirmation : non fondée. L'absence de F2 dans S1 peut résulter des conditions de milieu ou de fossilisation. On sait seulement que S1 est sous S2 (E2 à E3) et contient F1, donc S1 est de E1 à E3 : rien n'impose qu'il soit antérieur à E2.
3. Une coupe est locale. Une lacune ou une discordance peut n'exister qu'ici, car l'érosion et le non-dépôt varient d'un lieu à l'autre. Il faudrait corréler plusieurs coupes avec les fossiles pour généraliser.

Critères de réussite : ordre indéterminé signalé, affirmations critiquées avec les documents, limite d'une coupe unique reconnue.