Le temps et les roches

La chronologie relative

Les relations géométriques (superposition, recoupement, inclusion) permettent de reconstituer la chronologie relative de structures ou d’événements géologiques de différentes natures et à différentes échelles d’observation.

Les associations de fossiles stratigraphiques, fossiles ayant évolué rapidement et présentant une grande extension géographique, sont utilisées pour caractériser des intervalles de temps.

L’identification d’associations fossiles identiques dans des régions géographiquement éloignées permet l’établissement de corrélations temporelles entre formations.

Les coupures dans les temps géologiques sont établies sur des critères paléontologiques : l’apparition ou la disparition de groupes fossiles.

La superposition des intervalles de temps, limités par des coupures d’ordres différents (ères, périodes, étages), aboutit à l’échelle stratigraphique.

La chronologie absolue

La désintégration radioactive est un phénomène continu et irréversible ; la demi-vie d’un élément radioactif est caractéristique de cet élément.

La quantification de l’élément père radioactif et de l’élément fils radiogénique permet de déterminer l’âge des minéraux constitutifs d’une roche.

Différents chronomètres sont classiquement utilisés en géologie. Ils se distinguent par la période de l’élément père.

Le choix du chronomètre dépend de l’âge supposé de l’objet à dater, qui peut être appréhendé par chronologie relative.

Les datations sont effectuées sur des roches magmatiques ou métamorphiques, en utilisant les roches totales ou leurs minéraux isolés.

L’âge obtenu est celui de la fermeture du système considéré (minéral ou roche). Cette fermeture correspond à l’arrêt de tout échange entre le système considéré et l’environnement (par exemple quand un cristal solide se forme à partir d’un magma liquide). Des températures de fermeture différentes pour différents minéraux expliquent que des mesures effectuées sur un même objet tel qu’une roche, avec différents chronomètres, puissent fournir des valeurs différentes.

Activité : reconstituer l’histoire de Clermont-Ferrand par la chronologie relative

Activité : la datation des roches grâce aux fossiles

Activité : la datation de l’Australopithèque Lucy

TP : l'histoire de Condé-sur-Noireau

Chapitre : le temps et les roches

La datation des évènements géologiques et des roches est une nécessité pour le géologue cherchant à comprendre l’histoire de notre planète. Il dispose pour cela de la chronologie relative pour placer les évènements géologiques les uns par rapport aux autres dans le temps, et la chronologie absolue pour leur donner un âge chiffré, tout en se fondant sur le principe d’actualisme.

L’application d’un ensemble de techniques de datation permet de reconstituer des histoires géologiques.

I – La chronologie relative

A – Les relations géométriques et la chronologie relative

Pour dater les évènements géologiques les uns par rapport aux autres et les replacer dans le bon ordre chronologique, l’observation des relations géométriques et paléontologiques implique l’application de principes de base de chronologie relative :

• Le principe de superposition : les couches sédimentaires ou les coulées de laves se déposant à l’horizontal, les couches du dessous sont plus anciennes que les couches du dessus. De fortes déformations tectoniques peuvent cependant inverser l’ordre des couches.

• Le principe de recoupement : toute formation géologique (roche, faille, érosion) qui en recoupe une autre est considérée comme plus récente.

• Le principe d’inclusion : tout objet (roche ou minéral) inclus dans un autre est plus ancien que celui-ci.

Ces principes géométriques s’appliquent à différentes échelles (paysage, affleurement, roche, lame mince) et permettent de reconstituer des histoires géologiques.

B – Les fossiles : outils de chronologie relative

Le principe d’identité paléontologique stipule que deux couches possédant les mêmes associations de fossile stratigraphiques sont de même âge.

Les fossiles stratigraphiques sont caractérisés par une évolution rapide, une faible extension verticale dans les strates et donc une courte durée à l’échelle des temps géologiques, une grande extension géographique.

L’identification des associations de fossiles stratigraphiques permet d’effectuer des corrélations d’âge à distance.

Les groupes de trilobites, d’ammonites ou de foraminifères constituent d’excellents exemples de fossiles stratigraphiques.

II – La chronologie absolue

L’âge absolu d’une roche correspond à la « fermeture du système », soit le moment où l’objet daté n’échange ni élément radioactif, ni élément radiogénique (= produit de désintégration nucléaire, élément fils) avec l’environnement. La fermeture du système correspond par exemple, à la cristallisation totale d’un magma ou la mort d’un organisme.

Pour obtenir un âge absolu, on dispose de radiochronomètres. Ce sont des isotopes radioactifs et radiogéniques. Chaque radiochronomètre est caractérisé par sa période, ce qui le rend utilisable que pour certaines limites d’âges. Il dépend aussi de l’élément à dater qui doit obligatoirement contenir l’élément père.

Étant donné que la désintégration radioactive est un phénomène continu et irréversible, le choix d’éléments radioactifs (87Rb, 40K, 237U, 14C…) dépend de l’âge supposé de l’objet à dater.

La mesure des isotopes de l’élément père radioactif et de l’élément fils radiogénique, grâce à un spectromètre de masse, permet de déterminer l’âge des minéraux et des roches. Les datations peuvent être effectuées sur des minéraux isolés (méthode U-Pb), sur des zircons, ou alors sur plusieurs minéraux d’une roche magmatique ou métamorphique (méthode Rb-Sr) afin de construire une droite isochrone dont le coefficient directeur renseigne l’âge de la roche.

III – La construction de l’échelle des temps géologiques

Les critères paléontologiques (apparition et disparition de groupes et d’espèces fossiles) permettent de placer des coupures d’ordres différents dans les temps géologiques (ères, périodes, étages…).

La complémentarité des méthodes de chronologie relative et de chronologie absolue (par exemple, la datation absolue d’une coulée de lave recoupant des strates sédimentaires contenant des fossiles stratigraphiques) a permis de dater de manière précises les limites arbitraires des temps géologiques pour construire l’échelle stratigraphique.

Chapitre : le temps et les roches

I. Chronologie relative

Permet de placer les événements les uns par rapport aux autres dans le temps.

A. Principes géométriques

• Superposition : couche dessous = plus ancienne.

• Recoupement : ce qui recoupe = plus récent.

• Inclusion : objet inclus = plus ancien.

B. Fossiles stratigraphiques

Principe d’identité paléontologique : même fossiles = même âge.

Fossiles stratigraphiques = bonne datation car :

• évolution rapide

• courte durée dans le temps

• grande extension géographique

II. Chronologie absolue

Donne un âge chiffré grâce aux isotopes radioactifs.

Âge absolu = fermeture du système (ex. cristallisation magma, mort organisme).

Radiochronomètres : couples isotope père → fils.

Choix dépend de l’âge supposé (ex. 14C pour < 50 000 ans, U-Pb pour très ancien).

Méthodes :

Spectromètre de masse → mesure isotopes.

U-Pb (zircon), Rb-Sr (droite isochrone).

III. Échelle des temps géologiques

Critères paléontologiques : apparition/disparition espèces → limites (ères, périodes, étages).

Complémentarité relative + absolue → datations précises (ex. coulée de lave + fossiles).

Permet construction de l’échelle stratigraphique.

Animation décroissance radioactive

• Géotechnicien·ne (Bac+5 minimum) : Il étudie la nature et l’âge des terrains avant la construction d’infrastructures (bâtiments, routes, barrages). Ses analyses garantissent la stabilité des sols et la sécurité des ouvrages.

• Ingénieur·e en ressources minérales ou pétrolières (Bac+5 minimum) : Il interprète les couches géologiques et leurs fossiles pour localiser des gisements d’hydrocarbures, de minerais ou de gaz. Il travaille à l’interface entre géologie et exploitation industrielle.

• Technicien·ne de laboratoire en géologie (Bac+2/3 minimum) : Il prépare et analyse des échantillons de roches (coupes fines, spectrométrie, mesures isotopiques). Il assiste chercheurs et ingénieurs dans les travaux de datation et de caractérisation des matériaux.

Quizz de révision

• En quoi la compréhension des extinctions de masse passées éclaire-t-elle la crise de la biodiversité d’aujourd’hui ?

• Peut-on dater précisément la première trace de vie sur Terre ?

• Quelles incertitudes persistent encore sur l’âge de la Terre et pourquoi ?

• La datation radioactive peut-elle être faussée par certains phénomènes géologiques (métamorphisme, circulation de fluides) ?