Sédiments strates et temps géologique PDF

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Sédiments, Strates & Temps géologiques I.

De l’étude des objets géologiques à la synthèse 1. Introduction: Formes (géométrie) et temps (chronologie)

Pour comprendre l’agencement des couches géologiques qui forment la partie superficielle de la Terre, il faut prendre en compte: - La forme des dépôts et des couches géologiques - Le temps qui correspond à ces couches. La stratigraphie est la science qui se consacre à ce travail : comprendre la géométrie et la chronologie des dépôts sédimentaires de la Terre. Bref... il faut prendre en compte la forme des couches (2D, 3D) et intégrer la notion de temps (la 4e dimension) Les problèmes sont : - Existence de différentes géométries et à différentes échelles - Roches sont variées et variables (latéralement et verticalement) - Comment mettre en évidence le temps ? - Comment combler les zones sans informations ? - Les lacunes liées à l’érosion ? - Les lacunes liées des périodes de non dépôt ? - Comment reconstituer la position initiale des couches déformées par la tectonique ? 2. Roches sédimentaires - Strates - Couches géologiques Les éléments et corps géologiques peuvent être étudiés à plusieurs échelles

Exemple : Dans le Bassin parisien, la formation du Calcaire grossier contient des strates de calcaires coquilliers, organisés en bancs et des inter-bancs de calcaire marneux. Certains de ces bancs sont riches en quartz, d’autres en fossiles Bilan : • Ne pas se focaliser sur une seule échelle mais travailler à toutes: Roche, affleurement, paysage et bassin • Pour étudier les strates d'un même affleurement ou sondage : - Étude précise banc à banc puis prélèvement puis étude en laboratoire - Puis synthèse et réalisation d'un log précis. • Pour étudier les affleurement régionaux d'une même couche, on étudie plusieurs affleurements ou sondages et corrélations des unités ou limites caractéristiques = reconstitution de la variation verticale et latérale de la couche. • Pour étudier la même couche dans tout le bassin (ou le monde) on étudie des centaines de coupes, sondages et affleurements. • Stratotypes : c'est une coupe de référence, soit régionale soit internationale qui va définir un étage géologique, ou une partie, ou la limite entre deux étages. 3. Le temps en géologie Le temps en géologie est une notion complexe car lui aussi est multi-scalaire! • • • • • •

Effondrement d'une falaise → qq secondes Chute d'une météorite → qq secondes Crue d'un cour d'eau → qq heures Cycle des marées → 2 fois par jour Éruptions volcaniques → qq mois Cycle des saisons → tous les ans

• • • • •

Dépôt d'une couche de sable → qq siècles Montée ou baisse du niveau de la mer →qq millénaires Cycle astronomique → 21 000 ans Dérive des continents → des millions d'années Évolution des espèces → des millions d'années !

Le temps n'est pas proportionnel à l'épaisseur des couches. Lacunes sédimentaires : absence d'information sur une couche sédimentaire pour un endroit donné. Page 1  sur 11 

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Il faut donc avoir du recul sur les phénomènes et se demander : Combien de temps représente un objet géologiques? Très variable et parfois le temps n'est pas enregistré Comment se repérer dans le temps ? • S'adapter aux objets qu'on étudie • Utiliser la chronométrie disponible • Disposer de bons repères dans l'échelle géologique global Depuis le 19ème siècle, on utilise les fossiles pour dater le roches. Ce sont les études des géologues du 19ème qui ont permet de construire l'échelle des temps géologiques. Il n'y avait pas de temps absolu sur cette échelle. L'échelle des temps géologiques est en réalité plus complexe et comprend différents termes emboités. Les principaux découpages en usages sont des plus grand au plus petit:! - Période - Eron - Epoque ou série - Ere

- Etage - Biozone!

Tous ces découpages reçoivent un nom officiel, validé par une soumission internationale. Ils sont alors ajoutés à la chambre stratigraphiques définie par l’ICS. ➢ En géologie, les découpages du temps clefs sont la période et l’étage. • Les 12 périodes du Phanérozoïque permettant d'avoir une bonne idée du découpage général de l'échelle des temps géologiques Une période ⋍ 50 millions d'années • Les 98 étages du phanérozoïques sont les termes les plus employés par les spécialistes. Ils permettent un découpage assez fin du temps, tout en restant relativement corrélantes à l'échelle mondiale. Un étage = 5 millions d'années. Les étapes sont définis en stratotypes. Ce sont des coupes de référence, localisées et décrites de façon précise. A ce concept s'est ajouté celui de stratigraphie de limite(Global Boundary Stratitype Section & Point) II. Notions de base de stratigraphie 1. Définitions et notions de base La stratigraphie est la discipline qui étudie les couches (superficielles) de la Terre. C’est un travail de synthèse qui utilise les résultats apportés par les études sédimentologiques, paléontologiques, géochimiques géophysiques, etc. Ces principales méthodes d’études donnent des spécialités: ! - Magnétostratigraphie - Biostratigraphie - Cyclostratigraphie - Chimiostratographie

- Sismostratigraphie - Etc "

La stratigraphie est utilisée pour des études locales ou régionales, mais aussi à l’échelle des bassins sédimentaires, des provinces paléogéographiques et à l’échelle mondiale (globale). Certains stratigraphes sont spécialistes d’une méthode (paléontologues, géochimistes, géophysiciens, d’autres d’une période (Trias, Permien, Jurassique inférieur, etc.) Exemple : Sédimentologie (description de coupes) + Radiochronologie (datations 14C) ✧Bathymètre et Niveau de la mer • Niveau marin absolu: L’altitude du niveau de la mer est mesuré par rapport à un point fixe • Bathymétrie: La hauteur d'eau en un point donné = niveau marin par rapport au fond de la mer • Niveau marin relief: L’épaisseur entre la surface de la mer et le fond du bassin sédimentaire

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✧Morphologie de la plate forme continentale littorale Des zonations peuvent être peuvent être définies en fonction des limites d'influences des différents processus. Vagues et marées déterminent les apports et transferts de sédiments pour la morphologie.

NB : Les figures dues aux tempêtes sont effacés par les figures des vagues de beau temps ✧Subsidence et Soulèvement • Subsidence: Enfoncement du bassin sédimentaire → Création d'espace pour les sédiments Elle peut être thermique ou tectonique • Soulèvement: Elévation du fond du bassin → ∅ création d'espace → Non dépôt ou Erosion → Lacune Ils sont majoritairement d'origine tectonique NB : il peut y avoir lacune sans érosion, on parle de discontinuité non érosive, mais pas l'inverse. ✧Notions de Transgression / Régression Les changement d'hauteur d'eau (bathymétrie) et l'évolution de ligne de rivage peuvent être enregistrés dans les sédiments! Régression Transgression • Avance de la Terre vers la Mer • Invasion de la Terre par la mer • Avancement de la ligne de rivage vers la mer! • Recul de la ligne de rivage vers le continent On reconnaît une série sédimentaire grâce aux changements dans les milieux de dépôt enregistrés. ✧Progradation / Aggradation / Rétrogradation Lors des transgressions et des régressions, les cortèges sédimentaires vont se décaler en fonction de l’évolution de l’espace de sédimentation Transgression augmentation de l’espace marin et rétrogradation des faciès sur le profil. Régression diminution de l’espace marin et progradation des faciès sur le profil.

La « loi » de Walther Des couches superposées verticalement correspondent à des environnements sédimentaires qui étaient adjacents latéralement. Lors d’un changement de niveau marin, des environnements adjacents donneront des couches sédimentaires superposées verticalement ✧Eustatisme: Variation globale (mondiale) du niveaux moyens des océans Attention: ≠ Variations locales de la mer, ≠ variations cycliques (lié à la lune) Les mesures par satellites ne sont disponibles que depuis les années 1990. L'eustatie a augmenté de 20 mètres depuis 1880. Est-ce le géo-système ou est ce la faute de l’homme ? Le plus haut niveau marin était au crétacé, il y a 100 millions d'années, qui était 250m plus à haut. Page 3  sur 11 

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2. Principes fondamentaux de la stratigraphie La stratigraphie repose sur plusieurs principes fondamentaux. Ce ne sont pas des théorèmes, mais des règles qui s'appliquent dans la plupart des cas, sous réserve de la prise de quelques précautions. Ces principes fondamentaux servent notamment de base à la datation relative des objets géologiques (et ce a toutes les échelles). En plus de ces principes géométriques, la stratigraphie utilise d'autres hypothèse fondamentales, destinées à fixer le cadre de travail : 1. Actualisme:Observation de faits actuels permet, par similitude, de reconstituer les phénomènes du passé 2. Superposition: Si les couches géologiques sont dans leurs sens de dépôts sédimentaires, la plus récente est au dessus de la plus ancienne ▻Progradation : superposition des différentes couches. Exemple : le pore d'une roche est rempli par du ciment (cristaux) en plusieurs couches, la couches la plus récente est celle du centre. NB: En géologie, les couches ne sont pas toujours horizontales : couches glissées 3. Horizontalité initiale: Même si les couches sont penchées aujourd'hui, elles se sont déposés horizontalement 4. Recoupement: si un élément recoupe un autre, c'est qu'il est plus récent 5. Inclusion: si un élément est inclus dans un autre, c'est qu'il est plus ancien 6. Continuité latérale: une même couche est partout du même âge. Ce principe est très discutable, car il existe de nombreux environnements où : • Soit les couches changent rapidement de faciès (notion de variabilité latérale) • Soit une couche de même faciès n'a pas le même âge partout(notion de couche diachronique) 7. Variabilité latérale: les couches ne se continuent pas latéralement. ✧Corrélations Il est rare de pouvoir observer de façon continue les couches géologiques. Il faut donc procéder par corrélation et repositionner les différentes parties étudiées. En litho-stratigraphie, seule la lithologie des couches est utilisée. Pour être sur que les roches ont le même âge, il faut les dater.

Attention ! Cas de couches diachronie (exemple de la montée de la mer; transgression) → Diachronisme ✧Principe d'identité paléontologique: Utilisation de fossiles marqueurs pour mettre 2 couches en corrélations Ne fonctionne que si les fossiles sont de bons marqueurs stratigraphique et ne sont pas remaniés. On prend certains groupes plutôt que d'autres suivant les périodes que l'on étudie. Un bon fossile stratigraphie doit avoir : - Une fréquence importante Page 4  sur 11 

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- Une aire de répartition géographique large - Une période d'existence courte Par exemple, les stromatolites sont des accumulations bactériennes qui existent sur Terre depuis 3.2 Ga. Elles ne peuvent pas servir à dater une couche III. Méthodes et outils de la stratigraphie 1. La litho-stratigraphie C’est l’étude des empilements sédimentaires et de leur organisation à partie de leur lithologie (=nature de la roche). On procède toujours à une phase d'étude et une phase de conclusion. La phase analytique intègre les infirmations obtenues à toutes les échelles : • Terrain : étude d’affleurement • Sub-surface : étude par sondage et forage • Laboratoire : phase analytique : mesure de grain pour les classer • Macro et micro Ensuite sont définies des unités litho-stratigraphiques. Ce sont des ensembles lithologiques homogènes comprenant des séquences de faciès qui ont soit: - Développement important - Signification particulière - Une utilité pour les corrélations ➣On défini une unité si la composition de celle ci est retrouvée en plusieurs endroits, pour éviter un trop grand nombre d'unité. Une fois l'unité définie, elle est déposé officiellement et devient une nom propre. Exemple : calcaire à gryphées ou grès vosgiens. Les unités sont des couches, des formations, des membres ou des groupes dont la plus employée est celle dites de la formation. Exemple : les Sables de Châlons-sur-Vesle. Les unités sont souvent séparées par des discontinuités sédimentaires. Ce sont souvent des érosions. Il y a une différence entre: • Discontinuité et discordance: La discordance est une différence d'angle de couches entre deux unités due a un glissement de la couche 1 avant l'érosion et le dépôt de la couche 2 • Litage et pendage : ▻ Litage: Figures sédimentaires à l'échelle du banc ou à l'intérieur d'un banc. Il peuvent être horizontaux si le milieu de dépôt est calme, ils seront oblique si il y a de l'énergie ▻ Pendage: Fait qu'une couche penche dans une direction. Il peut être lié soit au fonctionnement du bassin sédimentaire soit à de la tectonique En litho-stratigraphie, seule la lithographie des couches est utilisées. Comment vérifier que des couches ont le même âge, sont synchrones ? Il est indispensable d'utiliser la bio stratigraphie ou la géochronologie. 2. Bio-stratigraphie C’est l’utilisation des fossiles ou des traces d'activité biologiques (terrier ou caca) contenues dans les couches géologiques afin de les organiser en unités et de les classer les unes par rapport aux autres en fonction du temps → Utilisation de fossiles marqueurs pour dater les couches Pour des groupes de fossiles sélectionnés sont définies des bio-zones qui servent à définir des échelles de référence. Une bio-zone est définie spatialement et verticalement (dans le temps). Elle est unique et clairement identifiable par les spécialistes. Exemple: nous sommes dans la Bio-zone de sapiens Il existe différents types de bio-zones • Extension: Avec la période de première apparition et celle de dernière apparition Page 5  sur 11 

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• Association: Une espèce B est apparue avant la dernière apparition de l'espèce A • Intervalle : il y a une zone de non apparition entre la premier et la dernière apparition. • Extension concomitante

La bio-stratigraphie est très développée avec les forages pétroliers car des milliers de microorganismes sont présents dans une coupe de carotte. On utilise donc certains groupes de fossiles plutôt que d'autres. Suivant la période, tous les groupes n'ont pas le même intérêt. La bio-stratigraphie permet des corrélations très précises mais elle pose des problèmes:

- Ne donne pas de temps absolu (âge en millions d'années) - Doit tenir compte des liens entre espèces - Doit tenir compte des contraires paléo-écologiques Elle sera donc calibrée avec d'autres méthodes d'études. 3. Géochronologie (et la radio chronologie isotopique) Ce sont des disciplines basés sur la décroissance radioactive naturelle des isotopes instables. Ils sont: • Initialement contenues dans la roche (radioéléments naturels) • Ou Produits par des rayonnement cosmiques frappant la surface du globe (radioéléments induits ou dits cosmogéniques, comme le carbone 14) ✧Historique - Né dès 1905 soit 3 ans après la loi de décroissance exponentielle des éléments radioactifs - Développées vers 1940-60: surtout après 1950 quand la précision de mesure à été accrue ▻ En 1955: Datation d'une météorite de 4,55 milliard d'années - Perfectionnées vers 1980-90: Peut s'appliquer sur de petites quantités de matière, voir l'échelle d'un cristal et même plusieurs dates sur un cristal Les résultats sont obtenus sous forme de chiffre dit absolu. Il existe quand même une certaine imprécision. Il existe de nombreuses méthodes de datation qui utilisent différents couples isotopiques (père radioactif et son fils). Les couples sont utilisés selon le type de roche et son âge visé avec différents temps de 1/2 vie. Il existe 3 grands modes de désintégration: 1. Un père radioactif donne un fils stable (Rb/Sr, Sm/Nd, 14C) La méthode la plus connue est celle du carbone 14. Dans les organismes vivants, la quantité de constante et décroît après la mort de l'individu.

14C

est

Doser le 14C permet de dater, mais il ne fonctionne que pour la matière organique car il est constant grâce à la respiration. Sa période de demi-vie est courte, 5730, et ne fonctionne pas au-delà de 45 000 ans (quaternaire restent). Il est nécessaire de calibrer les analyses car le taux de 14C dans l'atmosphère varie au court du temps. ➣Datation avec un autre couple isotopique en même temps On donne une date avec une probabilité →Elle a fortement diminuée avec l'évolution de l'informatique BP: years Before Présent (01/01/1950: Depuis cette date, la composition en isotope de l'atmosphère a beaucoup changé) BC: years Before Christ (calendrier grégorien = AD)

Cas du Rb/Sr: le Sr est présent à l'état naturel. Il faut donc mesurer la quantité de Sr initial en faisant le rapport 87Sr /86Sr. On obtient ensuite une droite dont la pente permet de donner l'âge de la roche. Page 6  sur 11 

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Dans ces méthodes, on considère que: • Minéral = horloge • Quand l'horloge commence-t-elle • Chaque minéral a une température de fermeture au-dessous de laquelle il n'échange plus d'éléments chimiques avec le milieu extérieur ➣ L'horloge commence quand le minéral atteint: T°C < T°C de fermeture ➣ Reprise à zéro de l'horloge quand le minéral atteint: T°C > T°C de fermeture L’âge mesuré est égal à l’âge de fermeture du système. Il faut donc que le cristal n’ait pas été recristallisé ou altéré 2. Père radioactif donne 2 fils radioactifs (K/Ar)

3. Chaîne de désintégration (238U/206Pb, 235U/207Pb, 232Th/208Pb ) Un atome radioactif donne une succession d'isotope radioactif qui peuvent avoir une durée de vie plus ou moins courte. Cas du 238U /206Pb: La désintégration se fait par étapes successives. Et comme il existe plusieurs isotopes d'uranium, donnant différents isotopes de plomb. Quelle méthode employer et quels éléments mesurer ? Cela dépend de l'objet étudié et de son âge estimé. • 14C: Matériaux organiques de moins de 40000 ans • 40K /40Ar: S'applique aux roches magmatiques (tout âge) • 238U /206Pb: S’applique aux roches anciennes • 234U /230Th: Formations carbonatées (CO3) d'origine animale (corail) ou sédimentaires (spéléothèmes; permet de dater des séismes dans des zones qui n'en n'ont plus) • 3H (tritium): Période de 1/2 vie courte (12,43 ans) utilisé en hydrogéologie pour mesurer le temps de résidence de d'eau dans une nappe (Évian : stockée 8 ans sous Terre). 4. Diagraphes C’est un enregistrement continu fait en fonction de la profondeur, des variations de caractéristiques physiques des formations traversées par un sondage (ou un puits) ou Well log. Ces variations sont mesurées par une sonde dotée de capteurs dédies à une mesure. Les diagraphies sont très utilisés pour des liquides (eau et pétrole). Un niveau, même peu épais, sera enregistré et les données sont quantifiées. ✧Diagraphie électrique R (Résistivité): Résistance de la roche à un courant électrique (en Ohm/m ou cm) Si les roches ne sont pas totalement isolantes, c'est qu'elles sont poreuses et contiennent un fluide. - Roches non poreuses: Granites, Gneiss, Calcaires recristallisés ou Evaporites (1 000 à 10 000 ohm/m) - Roches poreuses: Argiles ou sols à forte porosité (0,5 à 10 ohm/m) → Conducteurs ✧Le potentiel spontané «!PS!»: Différence de potentiel entre une électrode de surface et le potentiel Il est variable d'une électrode déplacée dans le forage. Le PS est enregistré en même temps que la résistivité vers aussi un bon marqueur de porosité et de salinité. ✧Le Gamma Ray «!GR!»: Mesure la radioactivité naturelle des roches avec un capteur à scintillation (Éléments radioactifs à longue période de vie K, Rb, Th et U)

Cette mesure permet de distinguer des strate...