En géologie, le temps se lit dans les roches : une pile de couches sédimentaires, une intrusion, une surface d'érosion sont autant d'archives. Ce chapitre présente les principes qui permettent d'ordonner les événements géologiques les uns par rapport aux autres, sans connaître leur âge en années. Les exercices de chronologie relative sur coupe géologique sont incontournables à l'examen.
1. Définitions et objectifs de la stratigraphie
La stratigraphie est la science qui étudie les couches géologiques et établit l'ordre de leur succession : elle traite des relations des strates dans le temps et dans l'espace. Une strate (ou couche, banc, niveau) est un ensemble sédimentaire d'une lithologie donnée, limité à la base par le mur et au sommet par le toit ; une série stratigraphique est un ensemble de couches superposées, et la stratification désigne la disposition en couches des roches sédimentaires. Le stratigraphe décrit la nature des couches (lithostratigraphie), leur contenu fossilifère (biostratigraphie, dont l'unité est la biozone) et les intervalles de temps qu'elles représentent (chronostratigraphie).
Ses objectifs : retracer l'histoire des couches et enregistrer le temps géologique, reconstituer les milieux de dépôt, définir le faciès de chaque couche (caractères lithologiques et paléontologiques), établir des corrélations à distance entre séries locales, et bâtir la chronologie des événements. Toute la démarche repose sur le principe de l'actualisme : les lois physico-chimiques qui gouvernaient les phénomènes passés sont les mêmes qu'aujourd'hui.
2. Les principes de la chronologie relative
Le principe d'horizontalité : les sédiments se déposent en couches horizontales ; une série inclinée ou plissée a donc été déformée après son dépôt. Le principe de superposition (Sténon, 1669) : une couche est plus récente que celle qu'elle recouvre et plus ancienne que celle qui la recouvre. Le principe de continuité : une même couche, définie par son faciès et limitée par un mur et un toit, a le même âge sur toute son étendue. Le principe d'identité paléontologique : deux couches contenant les mêmes fossiles stratigraphiques ont le même âge, même si elles sont éloignées. Le principe de recoupement : toute structure qui en recoupe une autre (faille, filon, intrusion granitique) lui est postérieure. Le principe d'inclusion : un fragment de roche inclus dans une autre (galet de granite dans un conglomérat) est plus ancien que la roche qui le contient.
Chaque principe a ses limites d'application. La superposition est prise en défaut dans les terrasses alluviales (la terrasse la plus basse, proche du lit du fleuve, est la plus récente), lors du recoupement d'unités (une intrusion sous une couche lui est postérieure) et dans les séries renversées par la tectonique (flanc inverse d'un pli couché). La continuité ne s'applique pas en cas de répétition de faciès ni de changement latéral de faciès (une même couche passe latéralement d'un calcaire à une marne).
Dans une série sédimentaire non déformée, une couche est plus récente que celle qui est en dessous et plus ancienne que celle qui est au-dessus.
3. Les critères de polarité
Quand une série a été basculée ou renversée, il faut retrouver son haut et son bas d'origine : ce sont les critères de polarité. Le granoclassement vertical (critère sédimentologique) : dans une couche déposée par un courant qui ralentit, la taille des grains diminue du bas (graviers) vers le haut (argiles) ; les particules grossières indiquent le bas. Les fossiles en position de vie (critère paléoécologique) : un rudiste ou un corail fixé dans sa position de croissance indique le haut de la couche ; un individu basculé n'est plus un critère. On utilise aussi les figures de base de banc (empreintes de courant moulées sous la couche), les fentes de dessiccation qui s'ouvrent vers le haut et les rides de courant dont les crêtes pointent vers le haut.
4. Concordance et discordances
Quand les couches se succèdent régulièrement sans interruption, la série est concordante et continue. Une discordance traduit une lacune : arrêt de la sédimentation accompagné d'érosion ; la série est discontinue et une tranche de temps manque dans l'enregistrement. La discordance de ravinement correspond à un arrêt de sédimentation suivi d'une érosion, puis d'une reprise du dépôt sur une surface irrégulière ; les fragments de la couche érodée peuvent être repris à la base de la couche supérieure. La discordance angulaire ajoute un mouvement tectonique : les couches inférieures ont été plissées ou basculées, puis érodées, avant que de nouvelles couches horizontales ne se déposent par-dessus ; elle enregistre donc, dans l'ordre, sédimentation, déformation, érosion et nouvelle sédimentation.
5. Méthodes paléontologiques de datation relative
Un bon fossile stratigraphique (ou fossile pilote) appartient à une espèce ayant eu une courte durée de vie géologique, une grande extension géographique, une abondance et une facilité de conservation : ammonites au Mésozoïque, trilobites et graptolites au Paléozoïque, foraminifères planctoniques au Cénozoïque. À l'opposé, un fossile de faciès renseigne sur le milieu de dépôt mais pas sur l'âge. Trois méthodes : la méthode des fossiles pilotes (présence d'une espèce caractéristique), la méthode des assemblages fossilifères (recoupement des durées de plusieurs espèces, plus précis) et la méthode des lignées évolutives (position d'une forme dans une lignée à évolution connue).
| Discordance de ravinement | Discordance angulaire | |
|---|---|---|
| Événements enregistrés | Arrêt de sédimentation + érosion | Arrêt de sédimentation + déformation tectonique + érosion |
| Géométrie | Couches parallèles séparées par une surface irrégulière | Couches inférieures inclinées, couches supérieures horizontales |
| Signification | Lacune sédimentaire | Lacune + phase orogénique |
Les deux types de discordances
- Six principes : horizontalité, superposition, continuité, identité paléontologique, recoupement, inclusion.
- Superposition prise en défaut : terrasses alluviales, intrusions, séries renversées.
- Critères de polarité : granoclassement (grossier en bas), fossiles en position de vie, figures de base de banc, fentes de dessiccation.
- Discordance de ravinement = arrêt + érosion ; discordance angulaire = arrêt + plissement + érosion.
- Bon fossile stratigraphique : courte durée, grande extension, abondant (ammonites, trilobites).
L'exercice type est une coupe géologique avec couches, faille, filon, intrusion et surface d'érosion : il faut ordonner les événements du plus ancien au plus récent en citant à chaque étape le principe utilisé (superposition, recoupement, inclusion). Ne te contente pas de l'ordre : la justification par le principe rapporte la moitié des points. Autre question fréquente : la différence entre fossile stratigraphique et fossile de faciès.