Introduction

• L'étude de la succession des couches et des formations rocheuses d'une région permet de reconstruire les événements géologiques :
  • La nature des roches sédimentaires et le contenu fossilifère nous informent sur le faciès c'est-à-dire sur le milieu de sédimentation et sur l'environnement à l'époque de la formation de la roche.
    • Exemple de la série évaporitique du Lac Asal à Djibouti entre 8500 et 5000 ans BP.
    • Exemple de la région d'Abu Dhabi il ya 8 millions d'années. Diaporama tiré de l'exposition.
  • En outre, la stratigraphie permet d'établir une chronologie relative des terrains par l'application des principes que nous allons mettre en évidence.
• Le premier principe est le principe d'horizontalité selon lequel les couches sédimentaires sont déposées à l'origine horizontalement. Cela implique qu'une séquence sédimentaire qui n'est pas en position horizontale a subi des déformations ultérieurement à son dépôt.

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Datation relative

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• TD. 1 - Fiche

A. Principe de superposition

• C'est le principe, selon lequel, dans les terrains non excessivement déformés, les formations les plus basses sont les plus anciennes (par convention A ou 1) et les formations les plus hautes sont les plus jeunes (par convention C ou 3).C'est la façon d'exprimer l'âge relatif.
• Lorsque les formations rocheuses sont disposées régulièrement les unes sur les autres sans qu'il manque d'étage, il s'agit d'une structure concordante.
• À certains endroits dans une série sédimentaire l'information fait défaut; soit que les roches ont disparu suite à l'érosion, soit que la sédimentation s'est interrompue. Ces manques, ces absences d'information. correspondent à des intervalles de temps dans la succession des événements géologiques. Ils représentent des lacunes, ou des discordances.
• Lorsqu'un étage est absent, en tout ou en partie, il s'agit d'une lacune. Une lacune suppose l'interruption provisoire de la sédimentation (lacune de sédimentation) ou une période d'érosion (lacune d'érosion) d'une durée inconnue.
• Voir limite du principe (Belin 3 P.287).
• Remarque. L'âge absolu s'exprime en nombre d'année, ce sont les datations (ex: 400Ma ou Ordovicien).

B. Principe de recoupement

• C'est le principe selon lequel les couches sont plus anciennes que les phénomènes tectoniques ou magmatiques ou que les roches qui les recoupent.
• Ce principe s’applique aussi bien à l’échelle des paysages qu'à une échelle macro ou microscopique.
  • 1. Les mouvements tectoniques : Plissements ou Failles lissement
    L’événement tectonique qui affecte un ensemble de formations est postérieur à la formation la plus jeune. Il est par conte antérieur aux formations non affectées par la tectonique considérée.
  • 2. Discordance
    Elle implique un arrêt de la sédimentation, un soulèvement suivi d'une période d'érosion puis un nouveau dépôt. Cette période d'érosion, souvent associée à des déformations, correspond à un soulèvement tectonique et au retrait de la mer (régression). Si la mer ré-envahit la région (transgression) suite à de nouveaux mouvements, la surface des roches anciennes sera recouverte, c'est la surface de discordance. Il s'agit d'une surface de contact entre des formations d'âges différents.
  • 3. Intrusion
    Les filons, les dykes ou les plutons granitiques sont plus récents que la ou les roches encaissantes.
  • 4. Auréole
    L’auréole s'est formée postérieurement car elle résulte de la modification du cristal enrobé.
    Dans le cas d’une auréole métamorphique, elle est postérieure aux roches encaissantes qui ont été métamorphisée et contemporaine de l’intrusion du magma responsable du métamorphisme de contact.

C. Principe d’inclusion

• C'est le principe selon lequel les morceaux de roche inclus dans une autre couche sont plus anciens que leur contenant.

D. Principe de continuité

• C'est le principe selon lequel une même couche limitée par un même mur (strate sous-jacente formant le "plancher") et un même toit (strate sus-jacente) a le même âge sur toute son étendue même si sa nature est différente du fait de conditions de sédimentation (faciès) différentes.
  Exemple du manuel Belin, doc.1 - Coupe géologique de la région de Lagny, p. 286 : les strates de marnes du gypse (e7aG) et de calcaire de Champigny (e7aC) sont de natures différentes mais possédent le même plancher (e7b) et le même toit (e6e), elle sont du même âge.

E. Principe d'identité paléontologique

• Les fossiles interviennent pour :
  • dans certains cas, vérifier que la strate a conservé son positionnement original et que son orientation n’a pas été inversée dans le cadre d'un pli couché,
  • nous renseigner sur les conditions du milieu (fossiles de faciès), l'espèce devait être répandue et être adaptée à des conditions de vie précises (conditions souvent connues par le principe de l’actualisme).
  • nous indiquer l'âge de la strate (fossiles stratigraphiques), dans ce cas, l'espèce doit avoir été largement répandue à la surface du globe (grande extension géographique) et avoir eu une existence la plus courte possible. Une espèce n'étant pas toujours suffisante on utilise des associations de fossiles stratigraphiques.

Remarque
Les principes qui régissent la méthode de datation relative s’appliquent aussi bien à l’échelle des strates qu'à l’échelle minérale.

Application des connaissances à la recherche d’une chronologie relative
Carte géologique de la Limagne (les puys de Nugère et Sarcoui au NO de Clermond-Ferrand).
Après avoir relié entre eux les évènements géologiques qui ont caractérisé cette région et énoncé à chaque le principe utilisé, conclure en indiquant récapitulant la chronologie du plus ancien au plus récent. Indiquer si nécessaires les incertitudes liées à un manque d'indice.

Exercices
• Exo 1 - Sujet - Schémas de plis érodés (anticlinal et synclinal)
• Exo 2 : La région des Puys de la Vache et de Lassolas (Massif Central) - Sujet

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Datation absolue

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• TP. 2 - Exemple de datation absolue : la datation au carbone 14 de la déglaciation à la Barbade
  D'après les documents de l'INRP
  • Fiche
  • Fichier Excel des données
  • Le principe de la datation à l'aide du Carbone 14

A. Principe

• Manuel doc. A1, p.292

B. La datation avec le Carbone 14

Manuel doc. A, p.294

Le carbone 14, du fait de sa demi-vie de 5370 ans, est particulièrement bien adapté à la mesure de durées de l’ordre de quelques dizaines de milliers d’années au plus. Le ¹⁴C est produit en haute atmosphère à partir de l’azote de l'air. On considère qu'il est produit régulièrement et qu'il est donc en proportion constante et connue dans tous les milieux et tous les êtres vivants.
En réalité la concentration en ¹⁴C dépend des variations de flux cosmique responsable de la transformation de ¹⁴N en ¹⁴C, des variations du champ magnétique et des variations des échanges entre les réservoirs (hydrosphère, atmosphère et biosphère).
Lorsqu'un animal ou une plante meurt, son métabolisme cesse et son carbone n'est plus renouvelé : le ¹⁴C qu'il contient au moment de sa mort se désintègre. Il en est de même pour le ¹⁴C d'un carbonate précipité et isolé, ou celui d’une masse d'eau isolée.
En connaissant l’a proportion ¹⁴C / ¹²C dans le milieu, la mesure de la proportion _¹⁴C / ¹²C dans les restes d’êtres vivants (os, cheveux, bois, coquille) fournit la durée écoulée depuis la mort (isolement = fermeture du système). Au-delà de 30 000 à 40 000 ans, la quantité de ¹⁴C restante dans l'échantillon est insuffisante pour permettre une mesure fiable.
Dans le cas du ¹⁴C, le calcul de l'âge est donc aisé, car la composition au moment de la fermeture est connue et on mesure la quantité d’isotope radioactif restant.

C. Le couple potassium – argon (K-Ar)
Belin, doc. B1 & 2 p. 293 et Fiche Datations absolues document 1.

Contrairement au ¹⁴C, dans le cas du couple K-Ar la quantité initiale de l'isotope issu de la désintégration radioactive est nulle au moment de la fermeture : ceci illustre le fait que pour calculer un âge il est équivalent de mesurer des rapports isotopiques exprimant le nombre d’isotopes disparus ou le nombre d’isotopes apparus lors de la réaction de désintégration radioactive.

Il permet d’aborder des datations de roches beaucoup plus anciennes.

La méthode au K-Ar permet de suggérer l’existence de limites à la datation absolue. L'isotope de l’argon existe en quantité non négligeable dans l'atmosphère et les fluides circulants : l'échantillon daté peut donc être contaminé et conduire à des dates erronées.

L'échantillon ne doit donc pas avoir été contaminé ou avoir présenté des signes d'échappement liés à un métamorphisme (élévation de température) ou à des phénomènes tectoniques.

D. La méthode de datation la plus fréquente utilise un couple d’isotopes (Rubidium / Strontium, Rb87/Sr87) dont la quantité initiale d’isotopes est inconnue
Belin, doc. B, p. 295 et Fiche Datations absolues document 2.

Il est possible d’approcher empiriquement l’alignement des mesures dans le repère des rapports isotopiques en simulant les deux (ou plus) constituants du même échantillon par deux (ou plus) sacs de boules colorées contenant la même proportion de boules représentant ⁸⁷Sr, ⁸⁷Rb et ⁸⁶Sr, mais contenant des quantités différentes. Le « vieillissement » est réalisé en effectuant des tirages au hasard dans le sac. Chaque fois qu'une boule ⁸⁷Rb est tirée, elle est remplacée par une boule ⁸⁷Sr : chaque fois qu'une boule ⁸⁷Sr ou ⁸⁶Sr est tirée elle est remise dans le sac de départ (il est important de respecter un nombre suffisant de tirages pour satisfaire aux contraintes statistiques de ce type d’expérimentation).

En effectuant plusieurs mesures du rapport isotopique après n, m et p tirages (au cours du vieillissement), on observe que la pente de la droite augmente : la pente de la droite est fonction de l'âge de l'échantillon.

C'est la méthode de datation la plus courante, elle utilise un couple d’isotopes dont la quantité initiale d’isotopes est inconnue (nombre d’isotopes lors de la fermeture de l'échantillon), Ce cas général est plus complexe que les deux précédents puisque le problème de datation posé renferme deux inconnues :

- la quantité initiale d’isotope

- l'âge de l'échantillon.

Pour résoudre ce problème il est nécessaire de disposer d’au moins deux équations. Pour ce faire, on effectue une mesure sur deux constituants équivalents du même échantillon. Pour éviter le problème posé par le fait que les quantités initiales dans les deux échantillons des isotopes impliqués dans les réactions radioactives sont différentes, on mesure les rapports isotopiques qui sont bien sûr identiques (mais inconnus à l'origine).

Un isotope de ⁸⁷Rb donne par désintégration un isotope de ⁸⁷Sr La demi-vie est de 50 millions d’années (50.10⁶ ans). Le ⁸⁷Sr est un isotope stable tout comme le ⁸⁶Sr qui n'est impliqué dans aucune réaction de désintégration. Dans ce qui suit, N⁸⁷Sr et N⁸⁶Sr représentent les nombres d’atomes de ⁸⁷Sr et de ⁸⁶Sr présents dans un fragment de roche ou un minéral à l’instant t et N⁸⁷Rb représente le nombre d’atomes de ⁸⁷Rb :
D'après le document d'accompagnement au programme de 2002.

E. Choix de l'isotope
Belin, doc. A2, p. 292

F. Qualité et pertinence de l'échantillon utilisé

La faisabilité de la datation et la qualité de la date calculée dépendent de:

la qualité et la pertinence de l'échantillon utilisé:

la période de l'isotope choisi pour l'analyse.

Qualité et pertinence de l'échantillon utilisé

La date que l’on obtient est celle qui correspond au moment où les isotopes de l'échantillon utilisé (fraction minérale, roche totale) ont été confinés : aucun constituant n’a pu quitter l'échantillon et aucun des constituants extérieurs n’a pu y entrer (contamination). À partir de cette date les éléments chimiques ont évolué spontanément en suivant les lois physiques de désintégration sans interaction avec le milieu, On parle de système fermé, On désigne par « fermeture » le moment où les échanges d'éléments chimiques entre les minéraux et éventuellement le verre de la roche cessent, La date trouvée est celle de la fermeture du système. On signale qu'en général les roches sédimentaires ne sont jamais des systèmes fermés. Sauf cas particuliers comme le 14C. La radiochronologie ne permet pas de dater les roches sédimentaires (dans ce cas, si le sédiment est récent, on contourne l’obstacle en datant les coquilles contenues, encore faut-il être certain qu'elles n’ont pas été remaniées). On se limite au cas des roches magmatiques et métamorphiques pour lesquelles, dans des conditions de pression données, la fermeture du système est due à l’abaissement de la température en deçà d'un certain seuil,

Période de l'isotope choisi pour l'analyse

Une fois le système fermé, la quantité d’isotope susceptible de se désintégrer diminue, La datation n'est valide que si l’on mesure des durées allant du centième à dix fois la période de l'isotope choisi.