21Sédiments et fossiles

Le Grand Canyon, en Arizona (États-Unis), a une profondeur moyenne de $1.6\,\mathrm{km}$. Ses parois sont faites de couches de roche posées les unes sur les autres, rouges, brunes, grises et crème. Dans la couche du sommet, le calcaire de Kaibab, les gardes du parc montrent des coquilles : celles de brachiopodes, des animaux qui vivaient sur le fond d’une mer. Cette roche s’est formée au fond d’un océan, et elle forme aujourd’hui le bord du canyon, bien au-dessus du niveau de la mer.

Comment un tas de sable et de boue meubles devient-il de la roche solide ? Comment une coquille peut-elle durer si longtemps qu’elle finit dans une falaise ? Et que nous disent les couches et les fossiles sur les lieux tels qu’ils étaient il y a très longtemps ?

Tu sais déjà

À la surface, les roches sont lentement brisées en morceaux (altération) ; l’eau, le vent et la glace emportent les morceaux (érosion) et les déposent là où ils ralentissent et s’arrêtent (dépôt) : les plus lourds d’abord, la boue fine seulement là où l’eau est presque immobile (Chapitre 10). Une roche sédimentaire se forme à la surface à partir de grains de sable et de boue, ou de coquilles, déposés en couches puis durcis : le grès, l’argilite, le calcaire. Le cycle des roches transforme lentement les roches de chaque famille en roches des autres familles (Chapitre 15).

21.1 Les sédiments se déposent en couches

Partout où l’eau, le vent ou la glace lâchent ce qu’ils transportaient, un dépôt meuble s’accumule : du gravier et du sable dans le lit d’une rivière, de la boue au fond d’un lac, du sable sur une plage ou dans une dune, des coquilles sur le fond de la mer.

Définition 21.1 (Sédiment)

Un sédiment est un matériau meuble déposé par l’eau, le vent ou la glace : du gravier, du sable, de la boue, ou les coquilles et les squelettes d’êtres vivants. Il s’accumule au fond des rivières, des lacs et des mers, et sur la terre ferme, là où le vent ou la glace le lâchent.

Les sédiments se déposent dans un ordre précis. Quand une eau boueuse ralentit, les grains les plus gros et les plus lourds tombent au fond les premiers, et les plus petits et les plus légers en dernier. Chaque fois que l’eau change — une crue qui apporte du sable, puis des semaines calmes pendant lesquelles seule la boue fine atteint le fond —, les grains qui se déposent changent aussi, et une nouvelle couche commence. Peu à peu, le fond d’un lac ou d’une mer se couvre d’une pile de couches, la plus ancienne en bas de la pile.

Définition 21.2 (Couche sédimentaire)

Une couche sédimentaire, ou strate (du latin stratum, « chose étendue »), est une nappe de sédiment, ou de la roche qu’il est devenu, déposée en une seule fois. Elle a une base et un sommet, et elle se distingue des couches situées au-dessus et au-dessous par la taille de ses grains ou par ce dont elle est faite.

Les sédiments se déposent à partir de l’eau ou de l’air : ils se déposent donc à plat, comme les pages d’un livre posé sur une table. Quand on trouve des couches inclinées ou plissées, c’est que quelque chose les a déplacées après leur formation. Les couches sont la marque la plus nette d’une roche sédimentaire : tu les as vues dans les parois du Grand Canyon.

Au laboratoire — Des couches dans un bocal (en classe, avec l’enseignant)

Mets une poignée de gravier, deux poignées de sable et quelques cuillerées de terre dans un grand bocal en verre ; remplis-le d’eau, ferme-le bien et secoue-le. Pose-le et observe pendant quelques minutes : le gravier atteint le fond tout de suite, le sable un peu plus tard, et la boue fine garde l’eau trouble pendant des heures. Le lendemain, ajoute encore un peu de terre et de sable, secoue doucement, et laisse reposer. Combien de couches comptes-tu ? Quels grains se trouvent au bas de chacune ?

21.2 Du sédiment à la roche

Une couche ne reste pas longtemps au-dessus. D’autres couches se déposent sur elle, puis d’autres encore, et elle est enfouie de plus en plus profond. Sous le poids des couches qui la recouvrent, les grains sont serrés les uns contre les autres et l’eau qui les sépare est chassée. L’eau qui s’infiltre dans la pile laisse des minéraux entre les grains, un ciment naturel qui les colle ensemble. Avec le temps, à mesure que d’autres couches s’entassent et que de lentes transformations chimiques ont lieu, le sédiment meuble du bas de la pile devient une roche.

Chaque sorte de sédiment donne sa propre roche.

La plupart des roches que l’on peut voir à la surface de la Terre sont sédimentaires. La pile de couches qu’elles forment est le livre d’histoire du lieu : chaque couche est une page, et les pages les plus anciennes sont en bas.

21.3 Comment se forme un fossile

Définition 21.3 (Fossile)

Un fossile est le reste, ou la trace, d’un être vivant d’autrefois, conservé dans la roche. Certains fossiles sont les parties dures du corps — une coquille, un os, une dent, du bois — changées en pierre. D’autres ne gardent qu’une forme : un moule est l’empreinte en creux laissée dans la roche là où une coquille ou un os s’est dissous ; un moulage est la copie qui se forme quand un moule se remplit de nouvelle matière minérale ou de sédiment. Une trace fossile est un signe de ce qu’un animal a fait — une empreinte de pas, un terrier, une piste — et non une partie de son corps.

Un fossile commence sa vie comme un animal ou une plante mort, sur le fond d’une mer ou d’un lac. S’il reste à découvert, les bactéries le décomposent et l’eau dissout lentement ce qui reste. Il n’a une chance que s’il est enfoui rapidement, sous un sédiment qui se dépose sur lui et l’isole. Ensuite, pendant que le sédiment se change en roche, l’eau qui s’infiltre dans les couches apporte des minéraux qui remplissent le moindre petit trou de la coquille ou de l’os : il se change en pierre. Bien plus tard, les couches du dessus peuvent être usées, et le fossile apparaît à la surface.

La plupart des êtres vivants ne laissent aucun fossile. Les corps mous pourrissent avant d’avoir pu être enfouis ; même les coquilles et les os se brisent ou se dissolvent s’ils restent longtemps à découvert. Le meilleur endroit pour devenir un fossile est le fond d’une mer ou d’un lac calme, où de la boue fine se dépose sur les restes et les protège. C’est pourquoi les fossiles trouvés dans les roches sont surtout des coquilles, ainsi que les minuscules coquilles et restes de plantes et d’animaux microscopiques ; les dinosaures, les fossiles les plus célèbres, n’en sont qu’une toute petite partie.

Parfois, la coquille elle-même ne dure pas. Enfouie dans le sable, elle est lentement dissoute par l’eau qui s’infiltre entre les grains, et il ne reste qu’un creux, dont les parois portent la forme de la coquille : un moule. Si des minéraux se déposent plus tard dans le creux et le remplissent, ils forment une copie de la coquille : un moulage.

Les animaux laissent aussi des fossiles de ce qu’ils ont fait. Un animal qui marche sur la boue molle et humide d’une berge ou d’un rivage y laisse des empreintes. La plupart sont effacées par la vague suivante ou la crue suivante. Mais si du sable les recouvre avant qu’elles ne soient effacées, l’empreinte est remplie, le sable se change plus tard en grès, et quand la roche se fend le long de la couche, elle montre l’empreinte et, de l’autre côté, son moulage.

La biologie se sert des fossiles pour suivre la longue histoire des êtres vivants. Dans ce livre, les fossiles sont des indices d’une autre sorte : ils nous disent à quoi ressemblait le lieu quand l’animal y vivait.

21.4 Couches et fossiles, une mémoire du passé

Chaque couche garde les marques du lieu où elle s’est déposée. Les récifs de corail poussent aujourd’hui dans des mers chaudes, claires et peu profondes ; les rides de courant se forment sur le sable en eau peu profonde, au bord d’un lac, d’une rivière ou d’une mer ; le charbon s’est formé à partir des plantes d’anciennes forêts et de marais ; les brachiopodes, les crinoïdes et les trilobites ne vivaient que dans la mer. Quand on retrouve les mêmes indices dans une couche ancienne, le lieu ressemblait probablement à cela quand la couche s’est formée.

Méthode 21.4 (Lire une couche)

1. Regarde les grains : les grains grossiers se déposent là où l’eau va vite, la boue fine seulement là où elle est calme.
2. Cherche les fossiles et les marques (coraux, coquilles, empreintes, rides de courant, débris de plantes, charbon) et utilise le tableau ci-dessus.
3. Rassemble les indices en une seule image du lieu : terre ou mer, eau peu profonde ou profonde, calme ou agitée.

Exemple 21.5 (Le sommet du Grand Canyon)

Le calcaire de Kaibab, la couche du sommet du Grand Canyon, est plein de coquilles de brachiopodes et de morceaux de tiges de crinoïdes, deux animaux marins. Il s’est formé sur le fond d’une mer. Aujourd’hui, cette même couche se trouve jusqu’à environ $2700\,\mathrm{m}$ ($9000$ pieds) au-dessus du niveau de la mer : depuis sa formation, toute la région a été soulevée.

On peut dessiner une pile de couches sous la forme d’une colonne : les couches empilées dans l’ordre où elles se sont formées, avec leur épaisseur à l’échelle et leurs indices notés à côté. La colonne des collines de Varden, la région inventée des exercices de cette collection, est donnée ci-dessous.

Remarque 21.6 (Regarder, photographier, laisser en place)

Dans de nombreux lieux protégés, il est interdit d’emporter un fossile : dans le Grand Canyon, par exemple, la loi interdit de déterrer, de déplacer ou d’emporter le moindre fossile. Un visiteur qui en trouve un le photographie ou le dessine, le laisse en place pour que d’autres le voient et que les scientifiques l’étudient, et prévient un garde du parc.

Sur le terrain — Des sédiments qui se déposent aujourd’hui

Sur une plage, au bord d’un lac ou sur la berge d’un ruisseau, avec un adulte, regarde le sable sous une eau peu profonde : l’eau en mouvement le façonne en rides, comme celles que garde le vieux grès. Laisse une empreinte de pas dans le sable mouillé, près du bord de l’eau, et regarde ce qu’en font les vagues suivantes. Après une journée de pluie, regarde une flaque qui a séché : une fine pellicule de boue recouvre souvent le sable du fond — les grains les plus fins se sont déposés en dernier, quand l’eau était immobile. Dessine ce que tu vois, et note où et quand.

21.5 Exercices

Exercice 21.1 ★

Associe chaque mot à sa définition : sédiment ; strate ; fossile ; moule ; moulage ; trace fossile. (a) Un creux laissé dans une roche là où une coquille s’est dissoute. (b) Une empreinte de pas ou un terrier conservés dans une roche. (c) Un matériau meuble déposé par l’eau, le vent ou la glace. (d) Une copie en pierre formée quand un creux se remplit de minéraux. (e) Une nappe de sédiment déposée en une seule fois. (f) Le reste ou la trace d’un être vivant d’autrefois, conservé dans la roche.

Solution

Solution de Exercice 21.1.

(a) moule ; (b) trace fossile ; (c) sédiment ; (d) moulage ; (e) strate ; (f) fossile.

Exercice 21.2 ★

Remets ces étapes dans l’ordre, pour raconter comment une coquille devient un fossile à la surface : (a) l’érosion use les couches qui la recouvrent ; (b) l’animal meurt sur le fond de la mer ; (c) de nouvelles couches s’entassent et la coquille se change en pierre ; (d) la boue recouvre vite la coquille.

Solution

Solution de Exercice 21.2.

(b) l’animal meurt ; (d) la boue recouvre vite la coquille ; (c) de nouvelles couches s’entassent et la coquille se change en pierre ; (a) l’érosion use les couches qui la recouvrent.

Exercice 21.3 ★

Utilise le tableau des indices. Où chaque couche s’est-elle formée ? (a) Un calcaire plein de coraux. (b) Un grès dont la surface montre des rides de courant. (c) Une couche sombre de charbon. (d) Une argilite avec des empreintes de feuilles et une aile de libellule.

Solution

Solution de Exercice 21.3.

(a) Une mer chaude, peu profonde et claire. (b) Une eau peu profonde, au bord d’un lac, d’une rivière ou d’une mer. (c) Une forêt marécageuse ou un marais. (d) La terre ferme, couverte de plantes (et survolée par des libellules), près d’une eau où la boue s’est déposée.

Exercice 21.4 ★

Vrai ou faux ? Corrige les phrases fausses. (a) Tout animal qui meurt devient un jour un fossile. (b) Une empreinte de pas peut être un fossile. (c) Quand une eau boueuse ralentit, la boue fine se dépose en premier. (d) Les sédiments se déposent à plat.

Solution

Solution de Exercice 21.4.

(a) Faux : la plupart des êtres vivants ne laissent aucun fossile ; ils pourrissent ou se dissolvent avant d’être enfouis. (b) Vrai : c’est une trace fossile. (c) Faux : les grains les plus gros et les plus lourds se déposent en premier, la boue fine en dernier. (d) Vrai.

Exercice 21.5 ★★

Utilise la colonne des collines de Varden. (a) Donne l’épaisseur du grès, du calcaire et de l’argilite. (b) Quelle est leur épaisseur totale ? (c) Quel pourcentage de ce total représente le calcaire ? Arrondis à l’unité. (d) Pourquoi la colonne ne donne-t-elle aucune épaisseur pour la craie ?

Solution

Solution de Exercice 21.5.

(a) Grès $120\,\mathrm{m}$, calcaire $180\,\mathrm{m}$, argilite $100\,\mathrm{m}$. (b) $120 + 180 + 100 = 400\,\mathrm{m}$. (c) $180 \div 400 = 0.45$ : 45 %. (d) Son sommet a été usé par l’érosion : ce qui reste n’est pas la couche entière, et ce qui en reste change d’un endroit à l’autre.

Exercice 21.6 ★★

Une élève secoue un bocal d’eau avec du gravier, du sable et de la boue, puis laisse reposer. (a) Dessine le bocal le lendemain, et légende les couches. (b) Pourquoi l’eau est-elle encore trouble au bout d’une heure ? (c) Elle ajoute encore du sable et de la boue et laisse reposer. Que voit-elle maintenant au fond ? (d) Quelle couche du bocal s’est formée en premier ?

Solution

Solution de Exercice 21.6.

(a) De bas en haut : le gravier, puis le sable, puis la boue au-dessus, sous l’eau claire. (b) Les minuscules grains de boue tombent très lentement : ils sont encore en train de tomber au bout d’une heure. (c) Une seconde série de couches au-dessus de la première : du sable, puis de nouveau de la boue. (d) Le gravier, tout au fond.

Exercice 21.7 ★★

Lequel de ces restes a le plus de chances de devenir un fossile, et lequel en a le moins ? Explique. (a) Une méduse rejetée sur un rivage rocheux. (b) Une coquille d’escargot enfouie dans la boue d’un lac calme. (c) Un os resté des années sur une plaine sèche. (d) Une coquille de palourde recouverte de sable lors d’une crue.

Solution

Solution de Exercice 21.7.

Le plus de chances : (b), une coquille dure, vite enfouie sous la boue fine d’une eau calme. Ensuite (d) : la coquille est dure et enfouie, mais une crue peut aussi la déplacer et la briser. Le moins de chances : (a), un corps mou sans parties dures, sur des rochers où aucune boue ne se dépose pour le recouvrir. (c) ne vaut guère mieux : l’os reste à découvert et il est décomposé et usé.

Exercice 21.8 ★★

Une coquille est enfouie dans du sable qui devient du grès. L’eau qui s’infiltre dans la roche dissout complètement la coquille. (a) Que reste-t-il dans la roche ? (b) Plus tard, des minéraux remplissent ce creux. Que se forme-t-il ? (c) La coquille elle-même est-elle encore là ? (d) Pourquoi trouve-t-on plus souvent des moules et des moulages dans le grès que dans l’argilite ? (Pense à la facilité avec laquelle l’eau passe entre les grains.)

Solution

Solution de Exercice 21.8.

(a) Un creux dont les parois portent la forme de la coquille : un moule. (b) Un moulage, une copie en pierre de la coquille. (c) Non : la coquille s’est dissoute ; le moulage est fait de nouveaux minéraux. (d) L’eau passe facilement entre les gros grains de sable : elle peut donc atteindre la coquille et la dissoudre ; dans la boue fine, elle passe beaucoup moins facilement.

Exercice 21.9 ★★

Le Grand Canyon a une profondeur moyenne de $1.6\,\mathrm{km}$. (a) Écris cette profondeur en mètres. (b) Suppose que les parois du canyon soient faites de couches de $80\,\mathrm{m}$ d’épaisseur chacune : combien de couches tiendraient entre le bord et le fond ? (c) Quel pourcentage de la profondeur représente une couche de $160\,\mathrm{m}$ ?

Solution

Solution de Exercice 21.9.

(a) $1.6 \times 1000 = 1600\,\mathrm{m}$. (b) $1600 \div 80 = 20$ couches. (c) $160 \div 1600 = 0.1$ : 10 %.

Exercice 21.10 ★★

On trouve des empreintes de dinosaures dans un grès. (a) Les dinosaures marchaient-ils sur de la roche dure ? Explique. (b) Pourquoi la plupart des empreintes laissées sur un rivage boueux disparaissent-elles ? (c) Que fallait-il qu’il se passe peu après le passage des dinosaures pour que les empreintes soient conservées ? (d) Une empreinte est-elle un fossile du corps ou une trace fossile ?

Solution

Solution de Exercice 21.10.

(a) Non : un pied ne laisse d’empreinte que dans un sol mou, du sable mouillé ou de la boue ; le sol est devenu de la roche plus tard. (b) La vague ou la crue suivante les efface. (c) Un nouveau sédiment devait les recouvrir et les remplir rapidement, avant qu’elles ne soient effacées. (d) Une trace fossile : elle montre ce que l’animal a fait, et non une partie de son corps.

Exercice 21.11 ★★★

Dans un lac, chaque crue laisse une couche de sable d’environ $2\,\mathrm{cm}$ d’épaisseur, et les semaines calmes qui suivent une couche de boue d’environ $5\,\mathrm{mm}$ d’épaisseur (données d’exercice). (a) Quelle est l’épaisseur, en millimètres, d’une paire de couches ? (b) Une carotte prélevée au fond du lac mesure $1\,\mathrm{m}$ de long et n’est faite que de telles paires. Combien de crues enregistre-t-elle ? (c) Près de l’embouchure de la rivière, les couches de sable sont plus épaisses ; au large, elles sont plus fines. Explique pourquoi. (d) Pourquoi y a-t-il plus de boue que de sable loin de l’embouchure ?

Solution

Solution de Exercice 21.11.

(a) $20 + 5 = 25\,\mathrm{mm}$. (b) $1000 \div 25 = 40$ paires : la carotte enregistre 40 crues. (c) Le sable est lourd : il se dépose peu après l’entrée de la rivière dans le lac, près de l’embouchure ; seule une petite partie va loin. (d) Au large, il ne reste dans l’eau que la boue fine : elle s’y dépose lentement, quand l’eau est calme.

Exercice 21.12 ★★★

Les fossiles trouvés dans les roches sont surtout des coquilles et de minuscules restes ; les fossiles d’animaux mous sont rares, et les dinosaures ne sont qu’une toute petite partie de tous les fossiles. (a) Explique pourquoi les coquilles sont si fréquentes. (b) Explique pourquoi les animaux mous sont rares. (c) Une scientifique veut connaître tous les animaux qui vivaient dans une mer ancienne. Les fossiles peuvent-ils lui en donner la liste complète ? Explique.

Solution

Solution de Exercice 21.12.

(a) Les coquilles sont dures : elles durent assez longtemps pour être enfouies, et beaucoup d’animaux à coquille vivaient sur le fond de la mer, là où la boue se dépose sur eux. (b) Les corps mous pourrissent avant d’avoir pu être enfouis. (c) Non : les animaux mous ne laissent presque jamais de fossiles ; la liste tirée des fossiles est donc incomplète : elle montre surtout les animaux à coquille ou à os.

21.6 Problème : La colonne des collines de Varden

Problème 21.1

Problème du week-end — les couches des collines de Varden sont lues une à une, leurs fossiles disent où elles se sont formées, et l’on calcule le temps qu’il a fallu pour empiler le calcaire

Utilise la colonne des collines de Varden de ce chapitre. Son grès montre des rides de courant et des empreintes ; son calcaire contient des coraux et des coquilles ; son argilite est faite de grains très fins, avec des ammonites ; la craie du sommet a été en partie usée.

Partie I — Lire les couches.

1. Donne la liste des quatre couches, de la première déposée à la dernière.
2. Donne l’épaisseur du grès, du calcaire et de l’argilite, et leur total.
3. Quel pourcentage de ce total représente le calcaire ?
4. Pourquoi personne ne peut-il dire quelle était l’épaisseur de la craie quand elle s’est formée ?

Partie II — Les fossiles qu’elles contiennent.

5. Où le grès s’est-il formé ? Donne deux indices.
6. Où le calcaire s’est-il formé ? Donne l’indice.
7. L’argilite est faite de grains très fins. L’eau était-elle calme ou agitée quand elle s’est déposée ? Explique.
8. Raconte l’histoire du lieu en trois phrases, du grès à l’argilite.

Partie III — Le temps qu’il a fallu.

9. Écris l’épaisseur du calcaire en centimètres.
10. Suppose que le grès se soit empilé de $1\,\mathrm{cm}$ tous les 20 ans. Combien d’années ses $120\,\mathrm{m}$ ont-ils demandé ?
11. Suppose que le calcaire se soit empilé de $1\,\mathrm{cm}$ tous les 100 ans. Combien d’années $1\,\mathrm{m}$ de calcaire a-t-il demandé ?
12. Combien d’années les $180\,\mathrm{m}$ de calcaire ont-ils demandé ? Combien de fois plus longtemps que pour le grès ?

Solution

Solution de Problème 21.1.

1. Le grès, le calcaire, l’argilite, la craie (la première en bas de la colonne).

2. $120\,\mathrm{m}$, $180\,\mathrm{m}$ et $100\,\mathrm{m}$ ; au total $400\,\mathrm{m}$.

3. $180 \div 400 = 0.45$ : 45 %.

4. Son sommet a été usé : la partie haute de la couche a disparu, et personne ne peut mesurer ce qui n’existe plus.

5. En eau peu profonde, au bord d’un lac, d’une rivière ou d’une mer : les rides de courant se forment sur le sable en eau peu profonde, et les empreintes se laissent dans du sable ou de la boue mous et humides, souvent sur un rivage.

6. Dans une mer chaude, peu profonde et claire : les coraux.

7. Calme : la boue fine ne se dépose que là où l’eau est presque immobile.

8. D’abord, le lieu était un rivage, avec une eau peu profonde et un sable mou sur lequel marchaient des animaux. Puis la mer l’a recouvert : une mer chaude et peu profonde, où poussaient des coraux et où s’entassaient des coquilles. Plus tard, l’eau est devenue plus calme, peut-être plus profonde, et seule de la boue fine s’est déposée, avec les coquilles des ammonites, des animaux parents des calmars et des pieuvres.

9. $180 \times 100 = 18\,000$ cm.

10. $120~\text{m} = 12\,000$ cm, et $12\,000 \times 20 = 240\,000$ ans.

11. $1~\text{m} = 100$ cm, et $100 \times 100 = 10\,000$ ans.

12. $180 \times 10\,000 = 1\,800\,000$ : environ 1 800 000 ans, presque deux millions d’années. C’est $1\,800\,000 \div 240\,000 = 7.5$ fois plus long que pour le grès.