Fiche de révision : Mesure du temps en géologie

📋 Plan du Cours

1. Principes de chronologie relative
2. Corrélations lithostratigraphiques
3. Biostratigraphie et fossiles
4. Échelle stratigraphique et crises
5. Biozones, étages et stratotypes
6. Principes de radiochronologie
7. Datation au carbone 14
8. Méthode potassium-argon
9. Limites et calibration du carbone 14
10. Méthode uranium-plomb
11. Bilan de la radiochronologie
12. Échelle chronostratigraphique internationale

📖 1. Principes de chronologie relative

🔑 Notions clés & Définitions

• Principe d’actualisme : énoncé par Charles Lyell au XIXe siècle, affirme que les phénomènes géologiques actuels ont les mêmes causes et les mêmes effets que ceux qui ont agi dans le passé

★ À maîtriser

• Le principe de superposition indique que, dans une série sédimentaire non renversée, la couche située en dessous est plus ancienne que celle située au-dessus.

• Le principe de recoupement indique qu’une structure géologique qui en recoupe une autre est plus récente que la structure recoupée.

• Le principe d’inclusion indique qu’un fragment de roche ou un minéral inclus dans une structure encaissante est plus ancien que cette structure.

Compléments

• Dans un conglomérat, les galets inclus dans la matrice sont antérieurs à la matrice et donc antérieurs à la formation du conglomérat.

💡 Astuce mémo

ASIR : actualisme, superposition, inclusion, recoupement

📖 2. Corrélations lithostratigraphiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Faciès sédimentaire : l’ensemble des caractéristiques pétrologiques, structurales et paléontologiques d’une roche sédimentaire, directement liées aux conditions de sédimentation et de diagenèse

★ À maîtriser

📌 Un même faciès peut apparaître à des lieux et à des moments différents, car des conditions de sédimentation similaires peuvent se reproduire.

📌 Deux formations présentant des faciès différents mais encadrées par les mêmes strates à la base et au sommet se sont formées pendant le même intervalle de temps.

Compléments

📌 Le passage latéral de faciès correspond au changement de faciès d’une même couche géologique selon la position géographique et les variations du milieu de sédimentation.

💡 Astuce mémo

Même faciès ≠ forcément même âge ; mêmes couches-cadres = même intervalle

📖 3. Biostratigraphie et fossiles

🔑 Notions clés & Définitions

• Fossile stratigraphique : un fossile caractérisé par une évolution rapide, une vaste répartition géographique et un grand nombre d’exemplaires, ce qui permet la corrélation et la datation relative des roches sédimentaires

★ À maîtriser

📌 Les fossiles stratigraphiques servent à dater relativement les strates, tandis que les fossiles de faciès servent à reconstituer un paléoenvironnement grâce à leurs exigences écologiques.

• Les ammonoïdes comprennent: les Goniatites du Paléozoïque, les Cératites surtout présentes au Trias, les Ammonites prédominantes au Jurassique et au Crétacé

Compléments

• Les fossiles de faciès ont une faible répartition horizontale et une grande répartition verticale, tandis que les fossiles stratigraphiques présentent les caractéristiques inverses recherchées pour la corrélation.

• Les trilobites apparaissent au début du Phanérozoïque et disparaissent lors de la crise Permo-Trias.

• Les foraminifères benthiques comprennent notamment les Nummulites du Paléogène, tandis que les foraminifères planctoniques comprennent les Globotruncanidés abondants au Mésozoïque et les Globigérinidés abondants au Cénozoïque.

💡 Astuce mémo

Fossile stratigraphique = temps ; fossile de faciès = milieu

📖 4. Échelle stratigraphique et crises

🔑 Notions clés & Définitions

• Crise biologique : une augmentation brutale du taux d’extinction, entraînant la disparition géographiquement étendue de nombreux taxons pendant un temps relativement bref

★ À maîtriser

• La crise Permo-Trias, datée d’environ −250 Ma, est la plus importante et marque le passage du Paléozoïque au Mésozoïque.

• Lors de la crise Permo-Trias, la moitié des familles, les trois quarts des genres et 96 % des espèces marines disparaissent.

• La crise Crétacé-Tertiaire, datée d’environ −65 Ma, marque le passage du Mésozoïque au Cénozoïque et s’accompagne notamment de la disparition des dinosaures non aviens et des ammonites.

• Après une crise biologique, une radiation évolutive diversifie les espèces qui colonisent les niches écologiques laissées vacantes.

Compléments

• Les causes des crises peuvent associer: une baisse du niveau marin, des variations climatiques, des variations de salinité ou d’oxygène, des impacts météoritiques, de grandes manifestations volcaniques formant des Trapps

💡 Astuce mémo

Extinction globale → niches vacantes → radiation évolutive

📖 5. Biozones, étages et stratotypes

🔑 Notions clés & Définitions

• Biozone : un ensemble de terrains sédimentaires contenant verticalement et latéralement la même association de taxons, limité par l’apparition et/ou la disparition d’une ou plusieurs espèces
• Stratotype : une coupe ou un ensemble de couches de référence servant à définir une unité stratigraphique
• Étage : l’unité de base de l’échelle des temps géologiques, définie par un affleurement type appelé stratotype de référence et correspondant à un intervalle de temps nommé âge

★ À maîtriser

📌 Une biozone est une unité biostratigraphique locale dépendante de l’enregistrement sédimentaire, tandis qu’une chronozone est une reconstruction mondiale de l’intervalle d’existence d’un taxon ou d’une association de taxons.

📌 Un stratotype de limite définit actuellement la base d’un étage par l’apparition d’un nouveau fossile ou assemblage de fossiles, sans hiatus sédimentaire.

Compléments

• Un GSSP, ou « clou d’or », est un stratotype de limite à valeur internationale, matérialisé par un repère permanent sans vide ni chevauchement.

💡 Astuce mémo

Biozone locale → chronozone mondiale → étage étalonné par stratotype

📖 6. Principes de radiochronologie

🔑 Notions clés & Définitions

• Radiochronologie : date un événement en mesurant la désintégration d’un isotope père radioactif en isotope fils radiogénique dans un système fermé

★ À maîtriser

📐 Formule — La désintégration radioactive d’un isotope père suit la relation $\frac{dP}{dt}=-\lambda P$, où λ est la constante de désintégration.

📐 Formule — La période radioactive et la constante de désintégration sont reliées par $T=\frac{\ln 2}{\lambda}$, soit $\lambda T=\ln 2$.

📌 Une datation radiochronologique n’est valide que si le système est fermé, c’est-à-dire si aucun élément père ou fils n’entre dans la roche ni n’en sort depuis sa formation.

Compléments

• 🔄 Un spectromètre de masse:

  1. ionise les atomes
  2. accélère les ions dans un champ électrique
  3. sépare les isotopes dans un champ magnétique
  4. mesure leurs abondances relatives

• La fermeture d’un système dépend de son évolution chimique et de son histoire thermique, notamment de la température de blocage au-dessus de laquelle la diffusion des éléments devient importante.

💡 Astuce mémo

Désintégration du père → accumulation du fils → âge mesuré

📖 7. Datation au carbone 14

🔑 Notions clés & Définitions

• Méthode au 14C : date la mort d’un organisme en mesurant la diminution radioactive du rapport 14C/12C après l’arrêt des échanges avec la biosphère

★ À maîtriser

• Le 14C a une période de demi-vie de 5 730 ans et permet de dater des échantillons âgés de 100 à 60 000 ans, avec une précision convenable jusqu’à 40 000 ans.

📐 Formule — L’âge d’un échantillon organique peut être calculé par $t=\frac{1}{\lambda}\ln\left(\frac{r_0}{r}\right)$, où r0 est le rapport initial et r le rapport mesuré.

📌 La méthode au 14C doit être calibrée, car le rapport initial 14C/12C a fluctué sous l’effet des variations des flux cosmiques et de l’augmentation du CO2 fossile.

Compléments

• Chez un organisme vivant, le rapport initial atmosphérique et biosphérique vaut environ $(^{14}C/^{12}C)_0=10^{-12}$, puis le rapport en 14C diminue après la mort par désintégration radioactive.

💡 Astuce mémo

Organisme vivant → mort → décroissance du 14C → calibration

📖 8. Méthode potassium-argon

★ À maîtriser

• La méthode K-Ar repose sur la désintégration du 40K radioactif en 40Ar, avec une constante de désintégration de 5,5 × 10⁻¹⁰ an⁻¹ et une période d’environ 1 milliard d’années.

📌 La méthode K-Ar suppose que l’argon initial est nul, car ce gaz rare est expulsé lors de la cristallisation d’une roche de surface lorsque le dégazage est possible.

📐 Formule — Pour la désintégration du 40K en 40Ar, la constante radioactive vaut $\lambda=5{,}5\times10^{-10}\ \text{an}^{-1}$ et la période vaut environ $T=\frac{\ln 2}{\lambda}\approx1\ \text{Ga}$.

📐 Formule — En supposant la quantité initiale d’argon nulle, l’âge K/Ar vérifie $^{40}Ar_t=^{40}K_t(e^{\lambda t}-1)$ et permet de calculer $t=\frac{1}{\lambda}\ln\left(1+\frac{^{40}Ar_t}{^{40}K_t}\right)$.

📌 L’hypothèse d’un argon initial nul est valable si l’argon a été expulsé lors de la cristallisation d’une roche de surface dégazée.

📌 La méthode K/Ar date la fermeture du système, c’est-à-dire son passage sous la température de blocage du géochronomètre, généralement de quelques centaines de degrés.

Compléments

• La méthode K-Ar peut dater pratiquement tous les types de roches et de minéraux, mais elle est particulièrement utilisée pour dater le volcanisme récent.

• La méthode K/Ar est applicable à pratiquement tous les types de roches et son domaine privilégié est la datation du volcanisme récent.

• Une réouverture thermique du système libère l’argon par diffusion et peut remettre le géochronomètre à zéro, tandis qu’un dégazage initial incomplet laisse de l’argon hérité.

💡 Astuce mémo

Roche volcanique dégazée, roche plutonique non dégazée

📖 9. Limites et calibration du carbone 14

★ À maîtriser

📌 La datation au carbone 14 s’applique exclusivement aux échantillons organiques et ne permet pas de dater directement les minéraux.

• La méthode au carbone 14 permet de dater des échantillons âgés de 100 à 60 000 ans, avec une précision convenable jusqu’à 40 000 ans, car la teneur en 14C devient trop faible pour des âges plus anciens.

• Le rapport initial supposé constant pour la datation au carbone 14 est $(^{14}C/^{12}C)_0=r_0=10^{-12}$ depuis 50 000 ans.

• Les courbes de calibration utilisent:

  • la dendrochronologie
  • l’archéologie
  • d’autres radio-isotopes
  • des modèles informatiques et mathématiques

Compléments

• Le rapport initial de carbone 14 a fluctué à cause des variations des champs magnétiques terrestre et solaire, qui modifient le flux de particules cosmiques produisant le 14C, et de l’augmentation du CO2 fossile constitué exclusivement de 12CO2.

💡 Astuce mémo

Variation du rapport initial → calibration de l’âge 14C

📖 10. Méthode uranium-plomb

🔑 Notions clés & Définitions

• Concordia : Courbe du diagramme de Wetherill représentant les rapports isotopiques théoriques correspondant à des âges concordants des couples 238U/206Pb et 235U/207Pb.

★ À maîtriser

📌 Les zircons sont riches en uranium et leur plomb initial est négligeable devant l’uranium, ce qui permet de poser l’hypothèse Pb0 = 0.

📐 Formule — Les deux âges U/Pb sont calculés par $t=\frac{1}{\lambda_{238}}\ln\left(1+\frac{^{206}Pb}{^{238}U}\right)$ et $t=\frac{1}{\lambda_{235}}\ln\left(1+\frac{^{207}Pb}{^{235}U}\right)$, avec $\lambda_{238}=1{,}5\times10^{-10}\ \text{an}^{-1}$ et $\lambda_{235}=9{,}8\times10^{-10}\ \text{an}^{-1}$.

📌 Un zircon resté dans un système clos donne deux âges identiques et se place sur la Concordia au point correspondant à l’âge de cristallisation de la roche.

• Après une réouverture métamorphique, plusieurs zircons d’une même roche se placent sur une droite Discordia qui recoupe la Concordia en un intercept haut correspondant à l’âge initial et un intercept bas correspondant à l’événement métamorphique.

Compléments

• La méthode U/Pb date les roches contenant des zircons et a permis de dater en Australie un zircon âgé de 4,4 Ga.

💡 Astuce mémo

Concordia : système clos ; Discordia : réouverture

📖 11. Bilan de la radiochronologie

🔑 Notions clés & Définitions

• Radiochronologie : Estimation de l’âge d’un échantillon par mesure de sa teneur en isotopes et datation de la fermeture du système, correspondant notamment à une cristallisation, un refroidissement ou un événement thermique secondaire.

★ À maîtriser

📌 La datation absolue étalonne l’échelle stratigraphique en donnant des âges numériques et s’applique directement surtout aux roches magmatiques et métamorphiques.

Compléments

📌 Les roches sédimentaires peuvent recevoir un âge grâce aux principes de datation relative, et leurs fossiles peuvent être datés au carbone 14 lorsque la matière organique fossilisée est suffisamment récente.

📖 12. Échelle chronostratigraphique internationale

🔑 Notions clés & Définitions

• Étage : Unité de base de l’échelle chronostratigraphique correspondant à une durée appelée âge.

★ À maîtriser

• 🔄 La hiérarchie chronostratigraphique suit la séquence:

  1. étage
  2. série
  3. système
  4. érathème
  5. éonothème

• Le Précambrien regroupe l’Hadéen de 4,6 à 4 Ga, l’Archéen de 4 à 2,5 Ga et le Protérozoïque de 2,5 Ga à 540 Ma.

• Le Phanérozoïque commence à 540 Ma et comprend les ères Paléozoïque, Mésozoïque et Cénozoïque.

Compléments

• Les séries correspondent à des époques, les systèmes à des périodes, les érathèmes à des ères et les éonothèmes à des éons.

• Les six périodes du Paléozoïque sont:

  • Cambrien
  • Ordovicien
  • Silurien
  • Dévonien
  • Carbonifère
  • Permien

• Les périodes du Mésozoïque puis du Cénozoïque sont:

  • Trias
  • Jurassique
  • Crétacé
  • Paléogène
  • Néogène
  • Quaternaire

• Le Quaternaire débute à 2,5 Ma avec l’apparition du genre Homo.

• Les sept séries du Cénozoïque sont:

  • Paléocène
  • Éocène
  • Oligocène
  • Miocène
  • Pliocène
  • Pléistocène
  • Holocène

• L’Holocène débute au dernier maximum glaciaire, il y a 11 700 ans.

💡 Astuce mémo

Étage → série → système → érathème → éonothème

📊 Tableaux de synthèse

Fossiles stratigraphiques et fossiles de faciès

Hiérarchie chronostratigraphique