L’échelle chronostratigraphique

 

        Geological time spiral – United States Geological Survey – Sept 2008

Sommaire :

  1.  Le principe de superposition
  2. John Phillips
  3. Alcide d’Orbigny : Le principe de ‘succession faunistique’ et le concept d’étage
  4. L’âge de la terre
  5. Les organismes internationaux
  6. L’échelle chronostratigraphique internationale
  7. Les étages internationaux
  8. Stratotype de limite
  9. Stratotype d’unité

 

 Stratigraphie

La stratigraphie ( du latin stratum : couverture et du grec graphein : écrire ) est la science qui étudie la succession des dépôts sédimentaires, qui se présentent en affleurement sur le terrain ou en sondage, en couches distinctes ou strates.

La chronostratigraphie est une branche de la stratigraphie dont l’objet est l’étude de l’âge des couches (strates) de roches.

Une échelle chronostratigraphique permet de classer chronologiquement les divers événements/étages géologiques qui sont intervenus depuis l’origine de la Terre, il y a 4,55 milliards d’années, jusqu’à nos jours. L’histoire de la Terre a été fractionnée en différentes tranches de temps : éon, ère, période, époque, étage.

Tout d’abord un peu d’histoire pour comprendre les origines de l’échelle chronostratigraphique 

          1. Le principe de superposition

Nicolas Sténon (1638 – 1686) géologue danois fut l’un des premiers à formuler des principes en géologie, notamment le principe de superposition, selon lequel dans une succession sédimentaire les couches récentes recouvrent les plus anciennes.

On doit, en 1760, au géologue italien Giovanni Arduino (1714-1795) d’après ses observations du relief de la Vénétie dans le vicentin (pays autour de Vicence -Vicenza) la décomposition des terrains et de l’histoire de la terre en 4  » ordres  » :

  1. Les ‘monti primari’ (montagnes minérales, peu de fossiles)
  2. Les ‘monti secondari’ (montagnes élevées, fossiles marins, ammonites)
  3. Les ‘monti terziari’(montagnes et collines, formations détritiques, fossilifères, basaltiques)
  4. Et les terrains ‘il quatro ordine’ (plaines, formées de couches d’alluvions)   

 » Les premiers balbutiements de la chronostratigraphie sont liés au concept de « formation« , créé par Werner à la fin du 18° siècle.

Pour lui s’étaient succédées 5 époques, chacune caractérisée par un processus de formation des roches qui lui était propre. La succession chronologique des types de roches, des plus récentes aux plus anciennes, résultant de cette théorie était :

  1. « Terrains volcaniques » (formés par la combustion de charbons…)
  2. « Terrains de transport » ou Diluvium= Quaternaire + Tertiaire
  3. « Terrains de sédiment » = toutes roches en couches, y compris basaltes
  4. « Terrains de transition », de formation déjà cristalline mais encore lités = diorites, radiolarites, gypses, grauwakes, schistes argileux
  5. « Terrains primitifs » formé par « neptunisme », c’est à dire dans un océan chaud primitif : Gneiss, granites, porphyres. « 

L’échelle stratigraphique, M.Gidon (Géo-Alp) – verbatim.

L’appellation des premières subdivisions tient compte du contenu pétrographique à usage industriel de ces couches qui contiennent un certain type de sédiment : houiller/coal measures (charbon), Corallien (corail), Crétacé (creta, craie), Mushelkalk (calcaire coquiller).

En 1822, compte tenu du besoin économique du charbon, Conybeare et Phillips proposeront de remplacer ‘coal measures’ pour caractériser les gisements houillers par ‘Carboniferous’.

Pour découvrir les couches plus anciennes situées sous les dépôts du charbon, les géologues anglais analysent et définissent le Cambrien, Dévonien, Ordovicien, Silurien, Appalachien, Missisipien et Pennsylvanien, pendant que les français définissent le « Jurassique », les allemands « l’Eiffelien », et les Russes le « Permien » ….

Les noms (étranges) du Silurien tels que Trémadoc, Llandeilo, Caradoc, Wenlock, Ludlow… proviennent du Pays de Galles où ces séries ont été étudiées et décrites par Adam Sedgwick.

          2. John Phillips

Dans la première partie du 19 siecle John Phillips (1800-1874) proposa d’utiliser de grands ensembles distincts de fossiles pour fonder les divisions majeures (les ères) de l’histoire du globe : Paléozoïque (1818), Mésozoïque et Cénozoïque (1840). Cette découpe est inspirée par la théorie de Cuvier sur le catastrophisme puisque ces périodes sont encadrées par les grandes crises biologiques majeures (fin du Permien -250 Ma, extinction Crétacé/Tertiaire -65 Ma).

John Philips publie en 1815 ‘The great card’ la première carte géologique de Grande-Bretagne. 

 » Par la suite, le Mésozoïque est divisé en trois périodes, le Trias, le Jurassique et le Crétacé.

Le Trias, nommé par le géologue allemand Friedrich August von Alberti en 1834, doit son nom aux trois unités stratigraphiques dont il se compose en Allemagne et plus généralement en Europe centrale.

On doit le terme  » Jurassique  » à Alexander von Humboldt, ce voyageur infatigable et savant universel qui reconnut, en 1799, la signification des calcaires visibles dans le Jura suisse et français.

Quant au Crétacé, c’est en 1822 que le géologue belge Jean-Baptiste d’Omalius d’Halloy le définit à partir de la craie (creta en latin), cette roche calcaire qui caractérise cette période dans de nombreuses parties de l’Europe du Nord. « 

Eric Buffetaut, paléontologue au Laboratoire de géologie de l’école normale supérieure, à Paris (CNRS, UMR 8538). Pour la science 2005 – verbatim.

L’appellation des subdivisons du tertiaire ‘Eocène (aube récente), oligocène (peu récent), Pliocène (plus récent), Miocène (moins récent), Pleistocène (nombreux et récents, en référence à la période qui regroupe encore 90% des espèces actuelles) est dûe à Charles Lyell autour des années 1840. 

           3. Alcide d’Orbigny : Le principe de ‘succession faunistique’ et le concept d’étage

Même si John Phillips avait mis en évidence que chaque couche géologique était caractérisée par un contenu paléontologique spécifique, sans pour autant l’intégrer dans sa classification, c’est Alcide d’Orbigny qui décline ce nouveau principe de ‘succession faunistique’ : ce n’est plus le contenu pétrographique qui caractérise une couche mais son contenu paléontologique.

 >> La stratigraphie s’enrichit d’un concept supplémentaire : l’étage.

 » Un étage est un état naturel de la nature passée pendant lequel il existait, comme dans la nature actuelle, des continents et des mers, des plantes et des animaux et, dans la mer, des animaux pélagiens et des animaux côtiers à toutes les zones de profondeur. Pour qu’un étage soit complet, il doit montrer un ensemble d’êtres terrestres ou marins qui puisse représenter une époque tout entière, analogue au développement que nous voyons actuellement sur la terre.  » Alcide d’Orbigny

La série des couches jurassiques établie en Angleterre, au début de ce siècle, par William Smith et complétée par Buckland, puis par Conybeare et Phillips, se décomposait ainsi :   1° Inferior oolite ; 2° Fuller’s earth ; 3° Great oolite ; 4° Bradford-clay and Forest-marble ; 5° Cornbrash.

D’Orbigny analyse l’ »Inferior oolite » et considérant que le site fossilifère le plus représentatif se trouve près de Bayeux (14) transforme cette couche en étage Bajocien. Pour définir le Bathonien, il agrégea les 4 séries suivantes qui se trouvaient les mieux représentés près de la ville anglaise de Bath.

D’Orbigny explique sa méthode pour nommer ses étages. A propos de Sinémurien en 1850 « J’ai fait dériver ce nom de la ville de Semur en Auxois (lat. Sinemurium), où se trouve le meilleur type, un gisement que je puis considérer comme étalon, c’est-à-dire pouvoir servir de point de comparaison ». Autres exemples : le Toarcien de Thouars (Deux-Sèvres), l’Aptien d’Apt (Vaucluse), le Stampien (en latin Stampae) d’Étampes (Essonne)…

Son travail exclusivement basé sur la comparaison du contenu paléontologique l’amène à convertir systématiquement en étages les périodes jurassique et crétacé décrites par ses prédécesseurs.

Des géologues tel Albert de Lapparent poursuivent, en l’accentuant, le travail de D’orbigny et proposent de découper les étages en biozones (zones/strates dans lesquelles se rencontrent une espèce fossile déterminée) identifiées par des fossiles marqueurs de zone:

  • Bathonien : zone à Oppelia aspidoïdes, zone à Oppelia fusca
  • Bajocien : zone à Harpoceras Murchisonae, zone à Harpoceras concavum, zone à Sonninia Romani, zone à Parkinsonia Parkinsoni

Après d’Orbigny d’autres étages ont été décrits et on en comptera au total 47 sur le sol français (voir figure 1 ci-dessous – P. De Wever).

               Figure 1 – Les 47 étages définis en France. Source P. De Wever

Un zoom particulier pour les étages présents dans le Bassin Parisien :

Étages Localité de référence Inventeur Sites caractéristiques dans le BP
Priabonien Priabona (Italie) Munier-Chalmas et De Lapparent (1893)
Le Vouast 60) 
Chavençon (60)
Ludes (51)
Bartonien Barton (GB) Karl Mayer-Eymar (suisse) 1857
Auvers-sur-Oise (95) 
Le Guepelle (95)
Le Fayel (60)
Lutétien Lutetia (Paris) De Lapparent (1883)
Thiverval-Grignon (78) 
Damery (51)
Chaumont en Vexin (60)
Yprésien Ypres (Belgique) André Dumont (1850)
Cuise-la-Motte (60) 
Pourcy (51)
Hérouval (60)
Thanétien Ile de Thanet (GB)  
Bracheux 60) 
Grès de la Fère (02)
Rilly la Montagne (51)

>> Vers 1850 les périodes et les époques de l’échelle stratigraphique sont quasiment définies et globalement toujours utilisées. 

          4. L’âge de la terre

Jusqu’à la fin du Moyen Age, 2 théories prévalent : le ’principe d’éternité’ de la terre émis par Aristote ou le ‘temps court’ – création de la terre il y a moins de 6000 ans – en référence aux contenus bibliques.

Par itération successive à partir de l’estimation du taux de sédimentation, du taux d’érosion ou encore de l’accroissement de la salinité des océans ou du refroidissement du globe (Buffon, Lord Kelvin) etc.. la notion de ‘temps long’ s’impose progressivement à partir de la fin du 18ième siècle.

La première échelle chronostratigraphique – réaliste – des temps géologiques est publiée par Arthur Holmes, géologue anglais qui, grâce à la datation par mesure de la radioactivité, évalue d’abord en 1913 l’âge de la terre à 1 300 Ma puis à 3 350 Ma en 1946. Par la suite, les progrès des spectromètres de masse appliqués à l’analyse des météorites ou roches lunaires permettent de consolider une date probable de l’âge de la terre estimé actuellement à 4 550 Ma.

          5. Les organismes internationaux

La société géologique de France (SGF) est créée en 1830.

Un comité de géologues internationaux réunis en 1875 à Buffalo (USA) s’engage à organiser des rencontres internationales sur le thème de la Géologie. Ce seront les ‘Congrès internationaux de Géologie’ dont le premier se tiendra dans le cadre de l’exposition Universelle de Paris en1878. Il y en aura 35 jusqu’en 2016.

Le Congrès international de Géologie de Paris en 1900 a vu la falunière de Grignon inscrite au titre des excursions géologiques proposées aux géologues du monde entier sous la conduite de Stanislas Meunier.

Lors du 12ième Congrès international de Géologie à Toronto en 1913, est créée la Commission de la Carte Géologique du Monde (CCGM).

Lors du congrès international de géologie de 2012, la notion d’Anthropocène (être humain – nouveau) est débattue et la création d’une nouvelle époque dans l’échelle des temps géologiques à la suite de l’Holocène envisagée. L’Anthropocène débuterait lorsque l’impact de l’activité humaine sur l’écosystème terrestre devient significatif ou est capable d’imprimer sa marque sur la lithosphère (en 1610 qui marque la plus faible concentration en CO2 dans l’atmosphère terrestre, au 18ième siècle au début de la révolution industrielle etc …. ?) 

Le Conseil international des unions scientifiques (CIUS ; en anglais, International Council of Scientific Unions, ICSU) a été fondé en 1931 pour promouvoir l’activité scientifique internationale dans les différentes branches des sciences et techniques et son application dans l’intérêt de l’humanité.

L’Union Internationale des Sciences Géologiques (UISG) est créée en 1961 pour favoriser la coopération scientifique internationale dans le domaine de la géologie. Cette organisation est désormais le principal organisateur des Congrès internationaux de Géologie.

La Commission internationale de stratigraphie (ICS) est créée en 1974 au sein de l’UISG. Elle coordonne les activités stratigraphiques et est chargée de la production et de la mise à jour de ‘l’échelle des temps géologiques’ ou ‘échelle chronostratigraphique’. 

 

Et maintenant analyse de l’échelle chronostratigraphique internationale

           6. L’échelle chronostratigraphique internationale

L’ensemble des étages géologiques, depuis la formation de la Terre jusqu’à la période actuelle, sont regroupés au sein d’un document appelé « Echelle des temps géologiques » ou « Echelle chronostratigraphique ». Cette échelle est par définition très évolutive au gré des découvertes et de l’évolution des connaissances dans le domaine.

Echelle chronostratigraphique éditée et mise à jour en 2017 par The International Commission on Stratigraphy (ICS), validée par The International Union of Geological Sciences (IUGS) : Echelle chronostratigraphique 2017 (http://www.stratigraphy.org).

L’unité de base de l’échelle chronostratigraphique est l’étage qui représente un intervalle de temps de quelques millions d’années. Cette notion reprend les travaux fondamentaux d’Alcide d’Orbigny.

Si, dans cette échelle, on introduit le temps nécessaire (en MA) au dépôt des différentes couches d’un étage, on obtient l’ Echelle chronostratigraphique.

En stratigraphie, les divisions chronostratigraphiques sont caractérisées par des ensembles de couches (étages, séries, systèmes, érathèmes, éonothème, superéonothèmes) et leurs correspondants en temps (âges, époques, périodes, ères, éons, superéons) : l’âge est l’équivalent du point de vue géochronologique, d’un étage. Plusieurs étages forment une série dont l’équivalent  géochronologique est l’époque, etc… suivant le tableau ci-dessous :

Echelle Stratigraphique Echelle Chronostratigraphique Exemple
Superéonothèmes Superéon
Eonothèmes Eon Phanérozoïque
Erathèmes Ere Cénozoïque
Systèmes Période Paléogène
Séries Epoque Eocène
Etage Age Lutétien

Exemple tiré de l’Échelle chronostratigraphique de l’ICS : 

Figure 2 – Extrait de la charte chronostratigraphique 2017 de l’ICS

NB : Une nouvelle subdivision pour englober plusieurs ères a été introduite : l’éon

L’éon actuel Phanérozoïque (du grec phanerox, « visible », et zôon, « animal ») couvre les 541 Ma depuis l’explosion biologique cambrienne, jusqu’à nos jours.

  1. L’éon Protérozoïque (de – 2,5 à – 0,541 milliards d’années),
  2. L’éon Archéen (de – 4 à – 2,5 milliards d’années),
  3. L’éon Hadéen (de – 4,6 à – 4 milliards d’années),

Un superéon est la combinaison d’éons. Un seul superéon est défini : ‘Précambrien’ regroupant les éons 2, 3 et 4.

          7. Les étages internationaux

L’unité de base de l’échelle chronostratigraphique est l’étage (du latin stare : se tenir debout) qui représente un intervalle de temps de quelques millions d’années (âge). Il est défini par rapport à un affleurement type, nommé stratotype qui sert de coupe de référence mondiale. Le nom de l’étage est souvent dérivé de celui du lieu initial qui a servi à sa description, suivi du suffixe   » ien  » (Lutétien – de Lutetia, Paris en latin – décrit par De Lapparent en 1883 etc…). L’étage est  une notion directement inspirée des travaux d’Alcide d’Orbigny.

En effet, 9 des étages géologiques qu’il a inventés et décrits sont reconnus par la Commission stratigraphique internationale :

  • Pour la période Jurassique, 5 étages sur un total de 11 :
    • Sinémurien de Semur-en-Auxois (Côte d’Or),
    • Toarcien de Thouars (Deux-Sèvres),
    • Bajocien de Bayeux (Calvados),
    • Callovien de Kellaways Bridge dans le Wiltshire anglais,
    • Kimméridgien de Kimmeridge dans le Dorset anglais
  • Pour la période Crétacé, 4 étages sur un total de 12 :
    • Aptien d’Apt (Vaucluse),
    • Albien de Alba, la rivière Aube,
    • Cénomanien (en latin Cenomanum) du Mans (Sarthe),
    • Turonien de Tours (Indre-et-Loire)

Au total, sur les 47 étages définis sur le territoire français (voir figure 1 – De Wever) 21 figurent dans l’échelle internationale actuelle.

          8. Déclinaisons locales des étages internationaux

Dans chaque pays, des déclinaisons locales sont encore utilisées. Pour la France, l’’échelle des temps géologiques’ du BRGM (éd 2006) reprend les appellations internationales de l’échelle ICS, mais y inclue une déclinaison européenne en citant les termes équivalents pour l’Europe NW + des sous-étages spécifiques ainsi que des termes stratigraphiques anciens +/- obsolètes utilisés pour définir des couches dans les bassins parisien, d’Aquitaine et du Sud-est.

 Par exemple en France pour le Bassin Parisien : 

Etages Localité de référence Inventeur Correspondance étage international
Ludien Ludes (51) Munier-Chalmas et De Lapparent (1893) Priabonien
Cuisien Cuise-la-Motte (60) G. Dollfus (1880) Yprésien sup.
Sannoisien Sannois (95) Munier-Chalmas et De Lapparent (1893) Rupélien inf.
Stampien Etampes (77) D’Orbigny (1852) Rupélien
Auversien Auvers-sur-Oise (95) G. Dollfus Bartonien inf.
Marinésien Marines (95) G. Dollfus (1905) Bartonien sup.

Autre exemple, en Belgique : le Lutétien est divisé en 3 périodes : Bruxellien – Lédien – Wemmelien.

Figure 3 – Extrait carte du BRGM – éd. 2006

Les codes couleur utilisés sont normalisés au niveau international

Echelle des temps géologiques éditée en 2006 par le BRGM à partir de l’échelle ICS complétée par des termes équivalents NW européens et des termes stratigraphiques +/- obsolètes ou à valeur litho-stratigraphique pour la France : Echelle des temps géologiques BRGM 2006.

          9. Stratotype de limite
figure 4 : photo http//jurassic.ru

L’échelle chronostratigraphique internationale fait apparaître la notion de stratotype de limite : en effet un étage est caractérisé par ses limites inférieures et supérieures. Dans l’absolu la limite inférieure d’un étage doit correspondre à la limite supérieure de l’étage précédent. Ce repère, appelé Point Stratotypique Mondial (PSM ou encore GSSP) est symbolisé sur la carte et matérialisé sur le terrain par un clou d’or (Golden Spike) –  Voir figure 4 : Pose du clou d’or GSSP de l’étage Hétangien à Kuhjoch (Tyrol, Autriche)

Tous les stratotypes de limite ne sont pas encore définis. A ce jour, 5 stratotypes de limite sont positionnés en France : Maastrichien (Landes), Cénomanien (Hautes Alpes), Bathonien (Alpes de Hte Provence), Tournaisien (Aveyron), Fammennien (Montagne noire).

Extrait de la base de données de la Commission internationale de Stratigraphie (ICS) pour la définition du stratotype de limite inférieure de l’étage Lutétien :  

Étage Âge(Ma) Emplacement du GSSP Latitude Longitude Niveau de limite Événements de corrélation Statut
 Lutétien 47,8 Falaise de Gorrondatxe, NW de Bilbao, Pays Basque, nord de l’ Espagne 43° 2’46.47″N

3° 0’51.61″ W

marne sombre à 167,85 m dans la section de la falaise de Gorrondatxe Occurrence la + faible de l’inflatus des Blackites nannofossiles calcaires (limite CP12a / b); milieu de polarité Chron C20r interprétée comme la surface d’inondation maximale d’une séquence de dépôt. Ratifié en  2011

Il y a 5 sites français en compétition (‘candidats’) à la désignation future de stratotype de limite pour les étages Albien (1 site dans le sud-est), Hauterivien (La Charce, Drôme), Valangénien (Montbrun-les Bains, Drôme), Tithonien (Canjuers, Var), Oxfordien (Savournon, Hautes Alpes).

          10. Stratotype d’unité

Au niveau international, un stratotype d’unité est un affleurement ou un ensemble d’affleurements considérés comme « type », « référence » ou « étalon » d’un étage géologique.

On l’a vu, le nom de l’étage donné par son inventeur est souvent dérivé du lieu géographique originel où se trouvait la coupe de référence. Dans le référentiel international actuel, ces noms d’étages sont maintenus mais – un nombre restreint de stratotypes d’unités a été déterminé – la localisation de la coupe de référence mondiale est souvent modifiée par rapport à sa localisation originelle. 

Ainsi, par exemple, du ‘Bajocien’ défini par Alcide d’Orbigny en 1852 dans la région de Bayeux (14) et symbolisé par la falaise côtière de Ste-Honorine-des Pertes (Ouest de Port-en-Bessin -14). Ce site reste la coupe de référence du Bajocien en France, mais la Commission internationale de stratigraphie (ICS) a défini en 1996 comme stratotype d’unité du Bajocien la falaise de Cabo Mondego (Portugal) complétée par la falaise de Bearreraig dans l’ile de Skye (Ecosse).

De nombreuses catégories de stratotypes – stratotype historique, stratotype composite, parastratotype, hypostratotype, néostratotype, lectotype – ont été définies pour tenir compte des évolutions des connaissances -pour en savoir plus, lire ‘notion de stratotype’ par Patrick de Wever- ; si la localisation originelle est choisie comme référence internationale, elle devient Holostratotype. Par contre, si un autre lieu est retenu, la coupe de remplacement devient un Néostratotype…

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   Bibliographie.

  • Un voyage au Mésozoïque,  Eric Buffetaut (Pour la Science 2005)
  • Quel âge a la terre, Vincent Deparis (Planet terre)
  • Histoire de la géologie, François Ellenberger
  • Regards sur deux siècles de stratigraphie, Maurice Rat
  • Des stratotypes pour une échelle des temps géologiques, Patrick De Wever, Annie Cornée, Max Jonin, site du MNHN
  • La notion de stratotype, Patrick De Wever et Annie Cornée, site du MNHN
  • Stratigraphie, fondamentaux et grands principes, Patrick De Wever
  • L’échelle stratigraphique, M.Gidon (Géo-Alp)