20Fossiles et paléoenvironnements

Sur une dalle de grès gris, trois indices se détachent : la traînée qu’un trilobite a creusée dans la boue, les rides qu’un courant a laissées derrière lui, et un terrier qu’un ver a creusé puis abandonné. Aucun de ces indices n’est un animal entier, et pourtant ensemble ils disent que cette colline fut autrefois le fond d’une mer, assez peu profonde pour que les vagues la remuent, assez salée pour que les trilobites y vivent. Les fossiles sont les restes et les traces de la vie passée, et les géologues les lisent deux fois : comme des horloges qui datent la roche, et comme des témoins du lieu où elle s’est formée. Ce chapitre suit un être vivant depuis sa mort jusqu’au tiroir du collectionneur, ouvre les rares dépôts où même les parties molles se conservent, puis lit l’environnement d’une mer disparue, avec des nombres, dans la couverture des Varden Hills.

Tu sais déjà

Des volumes scolaires : fossile, moule, moulage et trace fossile ; comment l’enfouissement et les minéraux transforment une coquille en pierre ; la succession des fossiles au fil du temps. Du volume de première année : faciès sédimentaires et milieux de dépôt, turbidites, récifs et oolithes ; biozones, fossiles stratigraphiques et datums de première apparition ; compaction, décompaction, loi d’Athy et épaisseur solide d’une couche ; ciment ; accommodation. Des chapitres précédents : transgressions et régressions, le niveau marin à long terme et les événements anoxiques océaniques (Chapitre 19). L’évolution des espèces et la classification des animaux et des plantes relèvent des volumes de biologie.

20.1 De la mort au fossile

La plupart des êtres vivants ne laissent rien derrière eux. Bactéries et charognards consomment les parties molles en quelques jours ou quelques années, les courants brisent et dispersent les parties dures, et les acides des sols et des eaux interstitielles dissolvent ce qui reste. Un fossile est ce qui résiste à tout cela, puis à l’enfouissement, au chauffage et au soulèvement de la roche qui le renferme.

Définition 20.1 (Taphonomie ; potentiel de préservation)

Taphonomie est l’étude de ce qui arrive aux restes d’un organisme, de sa mort à sa découverte sous forme de fossile : décomposition, charognage, transport, enfouissement, et changements chimiques de la diagenèse. Le potentiel de préservation d’un organisme, ou d’une de ses parties, est la probabilité qu’il traverse ces étapes et survive dans la roche.

Chaque étape retire quelque chose, en ajoute, ou modifie quelque chose. La décomposition et le charognage retirent les tissus mous ; des minéraux issus de l’eau interstitielle remplissent les pores d’un os ou remplacent l’aragonite d’une coquille, ajoutant de la matière que l’animal n’avait jamais eue ; le chauffage altère les molécules organiques qui subsistent. Loron classe toutes ces modifications post mortem en trois types, gain, perte et altération, et les écrit comme une seule équation pour la variation de tout caractère mesurable entre un organisme et son fossile. La figure ci-dessous suit les étapes et ce que chacune retire.

Les volumes scolaires appelaient fossile tout reste ou toute trace de vie passée conservée dans la roche. Les deux types se comportent si différemment dans la roche qu’ils méritent leurs propres noms.

Définition 20.2 (Fossile corporel ; trace fossile)

Un fossile corporel est une partie du corps d’un organisme, ou le moule ou le moulage de cette partie : une coquille, un os, une dent, une feuille et, dans de rares dépôts, un tissu mou. Une trace fossile est une structure qu’un organisme a produite par son activité dans ou sur un sédiment ou une roche : une empreinte, une traînée, un terrier, un forage, un motif d’alimentation.

Une trace fossile fait partie du sédiment dans lequel elle a été creusée : un courant qui la déplacerait la détruirait. Elle enregistre donc les conditions du lieu même où vivait son auteur, ce qu’une coquille, facilement roulée sur le fond, ne fait pas toujours. Les traces fossiles se nomment comme des organismes, avec un genre et une espèce, mais le nom décrit la structure, non l’animal : un même terrier peut être creusé par plusieurs sortes d’animaux, et un seul animal peut laisser plusieurs sortes de traces.

L’enfouissement contre la destruction

La course entre l’enfouissement et la destruction peut se mettre dans un modèle simple. Les restes posés sur le fond sont détruits à un taux constant $k$, la probabilité par unité de temps qu’ils soient mangés, brisés ou dissous ; ils sont à l’abri dès qu’une épaisseur $h$ de sédiment les recouvre, et le sédiment s’accumule au taux $s$.

Proposition 20.3 (Enfouissement avant destruction)

Sous ces hypothèses, la probabilité qu’un reste soit à l’abri est

$$P = e^{-kh/s}.$$

Elle ne dépend des trois grandeurs qu’à travers le rapport du temps d’enfouissement, $h/s$, à la durée moyenne de survie sur le fond, $1/k$.

Exemple 20.4 (Une coquille sur un fond calme)

Supposons qu’une coquille survive en moyenne 20 ans sur le fond, $k = 0.05\,\mathrm{an}^{-1}$, et soit à l’abri sous $h = 0.1\,\mathrm{m}$ de boue. À $s = 1\,\mathrm{mm}\,\mathrm{an}^{-1}$, le temps d’enfouissement est de 100 ans et $P = e^{-5} = 0.0067$ : moins d’une coquille sur cent survit. À $1\,\mathrm{cm}\,\mathrm{an}^{-1}$, $P = e^{-0.5} = 0.61$. Une tempête qui déverse $0.3\,\mathrm{m}$ de sable en un jour enfouit tout d’un coup, et alors $P$ est proche de un. Les nombres sont supposés, mais la leçon ne l’est pas : les fossiles s’accumulent là où le sédiment arrive vite ou en couches soudaines.

Le modèle montre aussi pourquoi les archives sont biaisées. Un ver à corps mou, dont la durée moyenne de survie sur le fond se compte en jours et non en décennies, a une valeur de $k$ des centaines de fois plus grande qu’une coquille épaisse, et donc une chance exponentiellement plus faible. L’essentiel des archives fossiles est fait d’animaux à coquille et de restes microscopiques. Tyler et Kowalewski ont mesuré combien une communauté perd en chemin vers la roche. Sur 51 sites d’un fond marin côtier, ils ont compté 135 espèces vivantes d’invertébrés, 150 espèces parmi les coquilles et squelettes morts gisant sur le fond, et 112 qui ont aussi un enregistrement fossile. Les morts sont plus nombreux que les vivants parce que les coquilles du fond se sont accumulées pendant de nombreuses années, issues d’animaux qui ne vivent plus là. Les détritivores et les carnivores, surtout à corps mou, sont les moins susceptibles d’être conservés ; pourtant les grands groupes écologiques de la communauté vivante ont tous été retrouvés parmi les morts.

20.2 Fenêtres de conservation exceptionnelle

Définition 20.5 (Lagerstätte)

Une Lagerstätte (pluriel Lagerstätten) est un dépôt sédimentaire qui conserve des fossiles d’une qualité exceptionnelle, en particulier les tissus mous, non biominéralisés, que la décomposition détruit presque partout ailleurs ; un tel dépôt est aussi appelé Konservat-Lagerstätte.

Les Lagerstätten sont rares, mais une grande part de ce que l’on sait des animaux à corps mou en provient, et la première grande radiation des animaux, au Cambrien, se comprend le mieux à partir d’elles.

Le Burgess Shale

En 1909, Charles Walcott dessina dans son carnet de terrain un petit arthropode qu’il avait trouvé dans le Burgess Shale de Colombie-Britannique. Il en recueillit plus tard des centaines, Waptia, dans un seul intervalle d’environ $2\,\mathrm{m}$ d’épaisseur, le Phyllopod Bed ; sa description moderne repose sur plus de 1 800 spécimens conservés dans deux musées. Le Burgess Shale, vieux d’environ 508 Ma, s’est déposé dans des eaux plus profondes, face à un escarpement sous-marin abrupt. Ses fossiles comprennent des animaux sans coquille, conservés en films aplatis de carbone, souvent des corps entiers. Une telle conservation est liée à un enfouissement dans des boues pauvres en oxygène, que les animaux ne fouissaient pas et que les courants ne remaniaient pas : les pertes de la figure ci-dessus étaient arrêtées d’un coup.

Solnhofen

Les calcaires à grain fin de Solnhofen et d’Eichstätt, en Bavière, se sont déposés dans des lagunes au début du Tithonien, dernier âge du Jurassique, qui a commencé il y a $149.2\,\mathrm{Ma}$. Ils sont la localité type de douze spécimens d’Archaeopteryx, de nombreux ptérosaures et de poissons dont les tissus mous et même les motifs de couleur subsistent. Les fossiles y sont rares, mais leur conservation est exceptionnelle. Plusieurs conditions ont été proposées, agissant peut-être ensemble : des eaux de fond environ trois fois plus salées que l’eau de mer, ou très alcalines, qui ralentissent la décomposition bactérienne ; des tapis de bactéries qui scellaient les carcasses ; des eaux de fond sans oxygène, qui tenaient à distance les charognards ; et des tempêtes qui remuaient la boue calcaire et enfouissaient vite les carcasses. Chacune d’elles allonge le temps de survie $1/k$ ou raccourcit le temps d’enfouissement $h/s$.

Les fossiles comme horloges

Le volume de première année a construit la biozone, un ensemble de couches défini par ses fossiles, et le fossile stratigraphique qui la reconnaît. Quelle horloge fine forment-ils ? Une zone à ammonites du Jurassique peut durer environ un million d’années : la plus ancienne zone toarcienne, datée par les âges uranium–plomb de niveaux de cendres en Argentine, s’étend de 183.73 à $182.77\,\mathrm{Ma}$. Les zones se divisent en horizons, et au Jurassique supérieur un horizon à ammonites dure en moyenne $165\,\mathrm{ka}$. Tous les squelettes d’Archaeopteryx proviennent d’une seule zone qui compte cinq horizons, si bien que l’oiseau est connu sur quelque 0.7 à 1 Ma. Les fossiles ne donnent toutefois qu’un ordre ; les âges en années viennent de niveaux de cendres datés à l’uranium et au plomb, et de cycles sédimentaires. Les mêmes niveaux placent la base du Toarcien à $183.73$, avec une incertitude de $+0.35$ et $-0.50\,\mathrm{Ma}$, là où la charte internationale donne $184.2\,\mathrm{Ma}$.

20.3 Les fossiles comme témoins du milieu

Pour lire un milieu dans un fossile, le géologue suppose que l’organisme vivait là où vivent ses apparentés actuels, et que les processus qui agissent aujourd’hui sur les sédiments agissaient de la même façon alors.

Définition 20.6 (Actualisme)

Actualisme est la méthode qui interprète les archives géologiques passées par les processus, et par les relations entre organismes et leur milieu, qui peuvent être observés aujourd’hui.

En 1830, Charles Lyell donna au premier tome de ses Principles of Geology (Principes de géologie) le sous-titre « une tentative d’expliquer les anciens changements de la surface de la Terre, par référence à des causes encore à l’œuvre ». La méthode a des limites. De nombreux groupes sont éteints, et leur mode de vie doit être déduit de leur forme et des sédiments qui les entourent ; et un milieu du passé peut n’avoir aucun équivalent exact aujourd’hui.

Définition 20.7 (Paléoenvironnement)

Un paléoenvironnement est l’ensemble des conditions physiques, chimiques et biologiques qui régnaient là où et quand une roche s’est formée : le cadre, la profondeur et l’énergie de l’eau, sa salinité, sa température et son oxygène, la nature du fond et la vie qui s’y trouve.

Où vivait le fossile ?

La première question est de savoir si les fossiles ont vécu là où ils gisent.

Définition 20.8 (Biocénoses et thanatocénoses ; fossiles autochtones et allochtones)

Une biocénose est un ensemble de fossiles d’organismes qui ont vécu ensemble, conservés là où et comme ils ont vécu ; une thanatocénose est un ensemble de restes rassemblés après la mort, qui peut mêler des organismes de lieux et d’époques différents. Un fossile est autochtone s’il est conservé là où vivait l’organisme, et allochtone s’il a été transporté d’ailleurs avant son enfouissement.

Les indices sont ceux du transport. Des coquilles encore fermées, un corail ou un bivalve fouisseur dans sa position de croissance, des épines fragiles intactes, toutes les classes d’âge d’une population présentes : les fossiles sont vraisemblablement autochtones. Des valves isolées triées par taille, des fragments usés et brisés, des coquilles concentrées à la base d’un lit granoclassé : elles ont été transportées. Une thanatocénose de coquilles, comme celle du fond côtier décrit plus haut, conserve encore l’essentiel de la communauté, mais elle rassemble de nombreuses années en une seule couche : ses fossiles sont moyennés dans le temps.

Salinité et oxygène

Certains animaux ne tolèrent que la salinité de la pleine mer : on les dit sténohalins. Échinodermes, céphalopodes, coraux et, au Paléozoïque, trilobites sont des groupes sténohalins typiques ; leur présence témoigne d’une eau de mer normale, et leur absence d’une faune riche peut témoigner contre elle. Les dépôts d’un estuaire silurien au Viêt Nam renferment des débris végétaux, des arêtes de poissons, des bivalves, des gastéropodes et des ostracodes, mais aucun de ces groupes. Les échinodermes manquent aussi dans la biote de Chengjiang, une Lagerstätte vieille d’environ 518 Ma, bien qu’ils se trouvent dans des Lagerstätten marines ouvertes du Cambrien : les animaux de Chengjiang vivaient près d’un delta, où l’eau douce faisait fluctuer la salinité.

L’oxygène laisse sa marque par l’intermédiaire des fouisseurs. Là où l’eau de fond contient de l’oxygène, les animaux mélangent le sédiment et détruisent sa lamination fine ; là où il n’y en a pas, les laminations se conservent, les terriers sont absents et la pyrite se forme, comme dans les schistes noirs des événements anoxiques océaniques du Chapitre 19. Ce même manque de fouisseurs a protégé les carcasses du Burgess Shale.

Ichnofaciès

Les traces fossiles sont les meilleurs témoins du fond, puisqu’elles n’ont pas été déplacées. Leurs auteurs réagissent à l’énergie de l’eau, à la fermeté du fond, à la nourriture et à l’oxygène, et les mêmes associations de traces reviennent au fil du Phanérozoïque.

Définition 20.9 (Ichnofaciès)

Un ichnofaciès est une association récurrente de traces fossiles qui traduit un ensemble de conditions du milieu ; il porte le nom d’une trace caractéristique.

Le long d’un profil marin, du rivage au bassin profond, quatre ichnofaciès marins se succèdent l’un après l’autre (figure ci-dessous). L’ichnofaciès à Skolithos, dominé par des terriers verticaux, cylindriques ou en U d’animaux suspensivores, avec peu de traces horizontales, est typique de l’estran et de l’avant-côte. L’ichnofaciès à Cruziana, dominé par les terriers de déposivores, avec les traces de brouteurs, de carnivores et de suspensivores, est typique du large : le fond situé entre la base de la vague de beau temps, profondeur au-dessus de laquelle les vagues ordinaires remuent le sédiment, et la base de la vague de tempête, atteinte seulement par les tempêtes. L’ichnofaciès à Zoophycos, nommé d’après un terrier qui remanie le sédiment en feuillets hélicoïdaux autour d’un axe central, est typique du plateau au-dessous de la base de la vague de tempête et du talus. L’ichnofaciès à Nereites, aux méandres, spirales et réseaux réguliers, lus comme les pièges et les jardins d’animaux qui trouvent peu de nourriture, est typique de la mer profonde au-delà de la rupture de pente. Dans les baies saumâtres et les estuaires, un ichnofaciès à Cruziana d’espèces peu nombreuses est la règle.

La profondeur n’agit pas directement. Dans un chenal de mer profonde, où les courants de turbidité sont forts, des terriers verticaux de l’ichnofaciès à Skolithos apparaissent loin sous toute base de vague ; et près d’un delta, où l’eau douce et la boue se déversent, les traces du large sont plus pauvres qu’ailleurs. Les auteurs ont aussi changé au fil du temps : le terrier Zoophycos vivait sur le plateau au Paléozoïque, sur le plateau inférieur et le talus au Mésozoïque, et en mer profonde au Cénozoïque. Un ichnofaciès enregistre les conditions du fond, dont la profondeur n’est qu’inférée, et cette inférence doit tenir compte de l’âge de la roche.

Sur le terrain — Compter les fossiles couche par couche

Un paléontologue qui reconstruit un milieu à partir d’une coupe consigne chaque lit avec sa lithologie, son épaisseur et ses structures sédimentaires, puis ses fossiles : quels groupes, combien, si les coquilles sont entières ou brisées, fermées ou ouvertes, triées ou non, et dans quelle position elles gisent. Les traces fossiles sont notées là où on les voit, sur les surfaces de stratification et dans les faces verticales, avec la profondeur à laquelle atteignent les terriers. Comme une coquille peut être déplacée mais un terrier non, les deux listes sont tenues séparées : le milieu se lit d’abord dans les traces, puis les fossiles corporels sont contrôlés pour détecter les signes de transport.

20.4 Lire une mer disparue

Les milieux se succèdent côte à côte : une plage, un fond au large, un plateau plus profond. Lorsque la mer monte ou que le fond s’enfonce, chaque milieu se déplace vers la terre au-dessus de son voisin, et ses dépôts viennent se placer sur ceux du voisin. Une succession verticale de faciès, sans coupure, répète donc l’ordre des milieux qui se trouvaient côte à côte ; le volume de troisième année fait de cette règle, la loi de Walther, son point de départ. Une coupe lue de bas en haut est un film du rivage qui traverse un même lieu.

La couverture des Varden Hills, la région inventée de la série, en fournit un exemple complet. Ses épaisseurs sont celles du modèle de la région ; les fossiles de la figure ci-dessous sont inventés pour elle, mais chacun est choisi parmi ceux que des roches de ce type peuvent contenir. Le calcaire reçoit le Toarcien, de 184.2 à $174.7\,\mathrm{Ma}$, et l’argilite l’Aalénien au Callovien, de $174.7\,\mathrm{Ma}$ à $161.5\,\mathrm{Ma}$.

Exemple 20.10 (La base de la couverture de Varden)

Le grès renferme des remplissages de chenaux à bases érodées, des racines et des fragments de plantes, et aucun fossile marin : il a été déposé par des rivières sur la terre ferme. Le calcaire oolithique au-dessus présente des oolithes à stratification oblique, qui grossissent en roulant dans une eau agitée, des tubes verticaux et des terriers en U de l’ichnofaciès à Skolithos, et des fragments de coquilles usés, tous allochtones : un haut-fond de l’avant-côte, balayé par les vagues. Entre les deux, la mer est arrivée : le contact enregistre une transgression marine. Dans l’ordre de la loi de Walther, la plaine fluviale a été suivie du rivage, puis du haut-fond.

À quelle vitesse le fond marin s’est-il comblé ?

Une biozone donne une durée, une coupe donne une épaisseur, et leur rapport est un taux. Mais l’épaisseur a diminué depuis le dépôt du sédiment : l’eau des pores a été chassée, et les grains seuls se conservent.

Proposition 20.11 (Taux d’accumulation d’une couche compactée)

Une couche d’épaisseur actuelle $h$ et de porosité moyenne $\varphi$, déposée pendant le temps $\Delta t$ avec la porosité $\varphi_0$, s’est accumulée au taux

$$r = \frac{h\,(1 - \varphi)}{(1 - \varphi_0)\,\Delta t}$$

de sédiment frais, et au taux $h(1-\varphi)/\Delta t$ de grains, qui ne dépend pas de $\varphi_0$.

Lorsque la porosité n’a pas été mesurée, la loi d’Athy la donne en fonction de la profondeur. La figure ci-dessous montre la loi pour quatre lithologies, et le facteur $(1 - \varphi(z))/(1 - \varphi_0)$ par lequel une couche mince située à la profondeur $z$ doit être étirée pour retrouver son épaisseur en surface. La craie et l’argilite commencent avec beaucoup d’eau et la perdent vite : une couche mince d’argilite à $1000\,\mathrm{m}$ était 1.68 fois plus épaisse lors de son dépôt, une couche de craie 2.19 fois.

Exemple 20.12 (L’argilite de Varden)

Dans le synclinal des Varden Hills, la craie a $766\,\mathrm{m}$ d’épaisseur, si bien que l’argilite se trouve entre 766 et $866\,\mathrm{m}$. Avec les constantes de l’argilite, $\varphi_0 = 0.63$ et $\lambda = 1960\,\mathrm{m}$, l’épaisseur solide du volume de première année vaut $100 - 0.63 \times 1960 \times (e^{-766/1960} - e^{-866/1960}) = 58.4\,\mathrm{m}$, une porosité moyenne de 0.416. Ramenée à la surface avec les mêmes grains, la couche fait $148.6\,\mathrm{m}$ d’épaisseur. Sur les $13.2\,\mathrm{Ma}$ qui séparent la base de l’Aalénien du sommet du Callovien, l’argilite s’est accumulée à $100/13.2 = 7.6\,\mathrm{m}$ par million d’années dans son état actuel, à $148.6/13.2 = 11.3\,\mathrm{m}$ par million d’années de boue fraîche, et à $4.4\,\mathrm{m}$ par million d’années de grains. L’épaisseur actuelle sous-estime le taux d’un tiers.

L’argilite a pu se trouver plus profond encore, sous une craie depuis érodée ; la correction est alors un minimum. Le problème du week-end applique la proposition au calcaire, dont la porosité a été mesurée.

Exercices

Données pour les exercices, sauf indication contraire : loi d’Athy $\varphi = \varphi_0 e^{-z/\lambda}$ avec $\varphi_0 = 0.63$, $\lambda = 1960\,\mathrm{m}$ (argilite), $0.49$, $3704\,\mathrm{m}$ (grès), $0.70$, $1408\,\mathrm{m}$ (craie), $0.51$, $4545\,\mathrm{m}$ (calcaire) ; calcite $2710\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$, eau interstitielle $1000\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$ ; les âges de la charte internationale : Toarcien de 184.2 à $174.7\,\mathrm{Ma}$.

Exercice 20.1 ★

À 51 sites d’un fond côtier, 135 espèces d’invertébrés ont été trouvées vivantes, 150 parmi les coquilles et squelettes morts sur le fond, et 112 qui ont aussi un enregistrement fossile. (a) Exprimer le troisième nombre comme fraction de chacun des deux premiers. (b) Expliquer comment les morts peuvent être plus nombreux que les vivants. (c) Indiquer quels groupes alimentaires seraient sous-représentés parmi les morts, et pourquoi.

Solution

Solution de Exercice 20.1.

(a) $112/135 = 0.830$ et $112/150 = 0.747$. (b) Les coquilles mortes du fond s’accumulent pendant des années, voire davantage : elles comprennent des espèces qui y ont vécu plus tôt ou, plus rarement, qui y ont été apportées, si bien que la thanatocénose fait la moyenne de nombreuses générations de la communauté. (c) Les groupes à corps mou, surtout détritivores et carnivores comme les vers : sans squelette, ils se décomposent avant l’enfouissement.

Exercice 20.2 ★

Un horizon à ammonites du Jurassique supérieur dure en moyenne $165\,\mathrm{ka}$. (a) Calculer la durée de cinq horizons, et la comparer aux 0.7 à 1 Ma donnés pour Archaeopteryx. (b) La plus ancienne zone toarcienne s’étend de 183.73 à $182.77\,\mathrm{Ma}$ : combien d’horizons de durée moyenne contiendrait-elle ? (c) Expliquer pourquoi les horizons, et non les zones, comptent pour suivre l’évolution d’une lignée.

Solution

Solution de Exercice 20.2.

(a) $5 \times 165 = 825\,\mathrm{ka}$, soit environ $0.8\,\mathrm{Ma}$, dans les 0.7 à 1 Ma. (b) $183.73 - 182.77 = 0.96\,\mathrm{Ma}$, et $0.96/0.165 = 5.8$ : soit environ six horizons. (c) Une lignée change en beaucoup moins de 1 Ma ; seuls les horizons séparent les formes successives, tandis qu’une zone les regroupe.

Exercice 20.3 ★

Nommer l’ichnofaciès et le milieu de chaque suite. (a) Traces de broutage méandriques et réseaux réguliers de terriers sous les semelles de fines turbidites. (b) Tubes verticaux serrés dans un sable propre à stratification oblique. (c) Abondants terriers horizontaux de déposivores et traces de broutage dans des lits silteux entre des sables de tempête. (d) Terriers hélicoïdaux à feuillets dans une boue fine et sombre, sans rides de vagues, dans des roches mésozoïques.

Solution

Solution de Exercice 20.3.

(a) Ichnofaciès de Nereites : le fond de mer profonde d’un système de turbidites, au-delà de la rupture de pente, où la nourriture est rare. (b) Ichnofaciès de Skolithos : estran ou avant-côte. (c) Ichnofaciès de Cruziana : au large, entre la base de la vague de beau temps et la base de la vague de tempête. (d) Ichnofaciès de Zoophycos : au Mésozoïque, plateau inférieur ou talus, sous la base de la vague de tempête.

Exercice 20.4 ★

Le lit A renferme des crinoïdes, des brachiopodes, des coraux et des trilobites ; le lit B, du même âge, renferme des débris végétaux, des arêtes de poissons, quelques bivalves et gastéropodes, et de nombreux individus de seulement deux espèces d’ostracodes. (a) Indiquer ce que chacun dit de la salinité de son eau. (b) Expliquer pourquoi l’absence des groupes du lit A est un argument, alors que l’absence d’un seul fossile dans un lit ne l’est pas. (c) Indiquer quelles autres observations permettraient de tester l’interprétation du lit B.

Solution

Solution de Exercice 20.4.

(a) Le lit A renferme des groupes sténohalins : eau de mer normale. Le lit B, pauvre en espèces mais riche en individus, avec des débris végétaux et aucun des groupes sténohalins, suggère une eau saumâtre, par exemple un estuaire. (b) Les groupes manquants sont plusieurs, fréquents et bien conservés dans des couches marines du même âge : leur absence conjointe est un motif, alors qu’un fossile peut manquer par hasard ou par mauvaise conservation. (c) Le sédiment (chenaux de marée ou fluviaux, enduits de boue, racines), les traces fossiles (un ichnofaciès à Cruziana d’espèces peu nombreuses), et le passage latéral du lit B vers des dépôts marins ou fluviaux.

Exercice 20.5 ★★

Utiliser la Proposition 20.3 avec la coquille de l’Exemple 20.4, $k = 0.05\,\mathrm{an}^{-1}$ et $h = 0.1\,\mathrm{m}$. (a) Trouver le taux de sédimentation auquel la moitié des coquilles atteint l’abri. (b) Déterminer de quel facteur $P$ change lorsque le taux est divisé par deux à partir de cette valeur. (c) Une coquille deux fois plus épaisse survit deux fois plus longtemps sur le fond. Calculer, à $1\,\mathrm{mm}\,\mathrm{an}^{-1}$, combien de fois sa conservation est plus probable. (d) Expliquer ce que cela implique pour les proportions de coquilles minces et épaisses dans un assemblage fossile.

Solution

Solution de Exercice 20.5.

(a) $P = 1/2$ lorsque $kh/s = \ln 2$ : $s = 0.05 \times 0.1/0.693 = 0.0072\,\mathrm{m}\,\mathrm{an}^{-1}$, soit $7.2\,\mathrm{mm}$ par an. (b) Diviser $s$ par deux double l’exposant : $P = (1/2)^2 = 0.25$, soit la moitié de la valeur précédente. (c) $k$ est divisé par deux : $P = e^{-2.5} = 0.082$ au lieu de $e^{-5} = 0.0067$, soit $e^{2.5} = 12$ fois plus de chances. (d) Les coquilles épaisses et robustes sont surreprésentées, d’autant plus que l’enfouissement est lent.

Exercice 20.6 ★★

Des niveaux de cendres datent la base du Toarcien à Chacay Melehue à $183.73$, $+0.35$, $-0.50\,\mathrm{Ma}$ ; la charte internationale donne $184.2\,\mathrm{Ma}$. (a) La valeur de la charte est-elle comprise dans l’incertitude ? De combien manque-t-elle la borne supérieure ? (b) La plus ancienne zone toarcienne se termine à $182.77\,\mathrm{Ma}$ : trouver sa durée. (c) Supposons que cette zone soit épaisse de $6\,\mathrm{m}$ dans une coupe : quel est le taux d’accumulation ? (d) Expliquer pourquoi une biozone peut être la même partout dans le temps tout en ayant une épaisseur qui varie d’un lieu à l’autre.

Solution

Solution de Exercice 20.6.

(a) La borne supérieure vaut $183.73 + 0.35 = 184.08\,\mathrm{Ma}$ : la valeur de la charte, $184.2\,\mathrm{Ma}$, se situe en dehors, d’un écart de $0.12\,\mathrm{Ma}$. (b) $183.73 - 182.77 = 0.96\,\mathrm{Ma}$. (c) $6/0.96 = 6.25\,\mathrm{m}$ par million d’années. (d) Une biozone est définie par des fossiles, dont les apparitions et les disparitions sont presque simultanées sur de vastes régions ; l’épaisseur de roche déposée pendant ce temps dépend du taux local d’accumulation.

Exercice 20.7 ★★

Dans le synclinal de Varden, le grès se situe entre 1046 et $1166\,\mathrm{m}$ sous le sol. (a) Trouver sa porosité par la loi d’Athy au sommet et à la base, puis sa porosité moyenne, arrondie à trois décimales, à partir de la moyenne des deux. (b) Trouver son épaisseur solide. (c) La restaurer en surface avec le facteur de couche mince à la porosité moyenne. (d) La restauration exacte donne $147.0\,\mathrm{m}$. Expliquer pourquoi l’estimation par couche mince est un peu trop grande.

Solution

Solution de Exercice 20.7.

(a) $0.49\,e^{-1046/3704} = 0.369$ et $0.49\,e^{-1166/3704} = 0.358$ ; moyenne $0.364$. (b) $120 \times (1 - 0.364) = 76.3\,\mathrm{m}$. (c) $76.3/(1 - 0.49) = 149.6\,\mathrm{m}$. (d) Le facteur suppose que toute la couche restaurée a la porosité $\varphi_0$ de la surface ; or une couche de $150\,\mathrm{m}$ d’épaisseur en surface est moins poreuse à sa base qu’à son sommet, si bien que les mêmes grains remplissent moins que $149.6\,\mathrm{m}$.

Exercice 20.8 ★★

Une diagraphie de densité indique $2573\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$ dans le calcaire de Varden, constitué de grains de calcite avec de l’eau dans les pores. (a) Montrer que la porosité vaut $\varphi = (\rho_{\text{grain}} - \rho)/(\rho_{\text{grain}} - \rho_{\text{eau}})$ et la calculer. (b) À la profondeur moyenne du calcaire dans le synclinal, $956\,\mathrm{m}$, que prédit la loi d’Athy avec les constantes du calcaire ? (c) Quel processus de diagenèse peut expliquer la différence ?

Solution

Solution de Exercice 20.8.

(a) Un volume unitaire contient $\varphi$ d’eau et $1 - \varphi$ de grains : $\rho = \varphi \rho_{\text{eau}} + (1 - \varphi)\rho_{\text{grain}}$, ce qui donne la formule ; $(2710 - 2573)/(2710 - 1000) = 0.080$. (b) $0.51\,e^{-956/4545} = 0.413$. (c) Cimentation : de la calcite précipitée dans les pores, que subissent aussi les carbonates en plus de la compaction, retire bien plus de porosité que le seul enfouissement.

Exercice 20.9 ★★

Une falaise de roches jurassiques montre, de la base au sommet : des turbidites minces à méandres réguliers et réseaux de terriers ; une boue sombre à terriers hélicoïdaux à feuillets ; des lits silteux à terriers de déposivores entre des sables de tempête ; du sable propre à stratification oblique avec des tubes verticaux ; puis un charbon à racines. (a) Interpréter chaque partie. (b) Dire si l’eau s’est approfondie ou non. (c) Nommer deux causes qui pourraient produire cette succession, et dire ce qui permettrait de trancher entre elles. (d) Expliquer pourquoi un saut brutal de la première partie à la quatrième, sans les autres, est un signal d’alerte.

Solution

Solution de Exercice 20.9.

(a) Turbidites de mer profonde (ichnofaciès de Nereites) ; un fond jurassique du plateau inférieur ou du talus (Zoophycos) ; un fond au large, entre les bases de vagues (Cruziana) ; un avant-côte (Skolithos) ; un marais continental. (b) L’eau est devenue de moins en moins profonde vers le haut : le rivage a avancé vers la mer. (c) Une baisse du niveau marin, ou un apport de sédiment plus rapide que la subsidence, comme devant un delta en progression ; une baisse se retrouverait au même moment dans d’autres bassins, alors qu’un delta serait local et son sédiment viendrait d’un seul côté. (d) Dans une succession concordante, les milieux voisins se succèdent ; un saut par-dessus les milieux intermédiaires signale une lacune de temps ou une faille.

Exercice 20.10 ★★★

Un animal à corps mou survit en moyenne un an sur le fond ($k = 1\,\mathrm{an}^{-1}$), une coquille un siècle ; toutes deux sont à l’abri sous $h = 0.1\,\mathrm{m}$. (a) Comparer leurs chances de conservation à 1, 10 et $100\,\mathrm{mm}\,\mathrm{an}^{-1}$. (b) Trouver le taux auquel un corps mou sur cent est conservé. (c) Expliquer si un tel taux est plausible pendant des mois, et quel type de dépôt enfouit le fond plus vite. (d) Dire quelle hypothèse de la Proposition 20.3 échoue pour un tel dépôt, et comment se comporte la formule lorsqu’elle échoue.

Solution

Solution de Exercice 20.10.

(a) Le temps d’enfouissement vaut $h/s$ = 100, 10 et $1\,\mathrm{an}$. Corps mou : $e^{-100} \approx 4 \times 10^{-44}$, $e^{-10} = 4.5 \times 10^{-5}$, $e^{-1} = 0.37$. Coquille ($k = 0.01\,\mathrm{an}^{-1}$) : $e^{-1} = 0.37$, $e^{-0.1} = 0.90$, $e^{-0.01} = 0.99$. (b) $s = kh/\ln 100 = 0.1/4.605 = 0.022\,\mathrm{m}\,\mathrm{an}^{-1}$, soit $22\,\mathrm{mm}$ par an. (c) Difficilement, sur des mois ; mais un lit de tempête, une turbidite ou une chute de cendres enfouit le fond en quelques heures. (d) Le taux de sédimentation constant : le temps d’enfouissement est alors bien plus court que $h/s$ avec le taux moyen, et $P = e^{-kT}$, où $T$ est le temps réel d’enfouissement, tend vers un lorsque $T$ est bien inférieur à $1/k$.

Exercice 20.11 ★★★

(a) Montrer que le facteur de couche mince $(1 - \varphi(z))/(1 - \varphi_0)$ découle de la Proposition 20.11. (b) L’appliquer à la profondeur moyenne de l’argilite de Varden, $816\,\mathrm{m}$, pour restaurer les $100\,\mathrm{m}$ d’argilite. (c) Comparer avec les $148.6\,\mathrm{m}$ exacts de l’Exemple 20.12, et expliquer le signe de la différence. (d) Montrer que le taux de grains, contrairement au taux de sédiment frais, peut être comparé entre une argilite et un calcaire sans connaître la porosité de chacun à son dépôt.

Solution

Solution de Exercice 20.11.

(a) Une fine couche $\mathrm dz$ à la profondeur $z$ contient les grains $(1 - \varphi(z))\,\mathrm dz$ ; en surface, elles remplissent $\mathrm dz_0$ avec $(1 - \varphi_0)\,\mathrm dz_0 = (1 - \varphi(z))\,\mathrm dz$. (b) $\varphi = 0.63\,e^{-816/1960} = 0.415$ ; $(1 - 0.415)/0.37 = 1.581$, soit $158.1\,\mathrm{m}$. (c) $9.5\,\mathrm{m}$ de trop : comme dans l’Exercice 20.7, la couche restaurée n’est pas uniformément aussi poreuse que sa surface. (d) Le taux de grains, $h(1-\varphi)/\Delta t$, n’utilise que l’épaisseur et la porosité actuelles, toutes deux mesurées.

Exercice 20.12 ★★★

On suppose que les horizons à ammonites du Toarcien durent en moyenne $165\,\mathrm{ka}$, comme ceux du Jurassique supérieur. (a) Combien d’horizons contiendraient les $180\,\mathrm{m}$ de calcaire de Varden ? (b) Indiquer quelle épaisseur de calcaire un horizon représente aujourd’hui, et quelle épaisseur de sédiment frais, sachant que la couche faisait $338\,\mathrm{m}$ d’épaisseur lors de son dépôt. (c) Pour être sûr de trouver chaque horizon, un géologue échantillonne à une épaisseur au plus égale à la moitié de cette épaisseur actuelle : indiquer cet espacement et le nombre d’échantillons. (d) Expliquer pourquoi certains horizons pourraient manquer malgré tout.

Solution

Solution de Exercice 20.12.

(a) $9.5/0.165 = 57.6$ horizons. (b) $180/57.6 = 3.1\,\mathrm{m}$ de calcaire aujourd’hui, $338/57.6 = 5.9\,\mathrm{m}$ de sédiment frais. (c) Au plus $1.5\,\mathrm{m}$ : $180/1.5 = 120$ intervalles, soit 121 échantillons. (d) Des lacunes de dépôt, des lits où les ammonites sont absentes, et des horizons condensés en quelques centimètres là où le sédiment arrivait lentement.

Problème 20.1

Problème du week-end — La mer jurassique des Varden Hills

Ce problème lit le milieu et l’histoire de la couverture de Varden, avec la coupe de la Section 20.4 et les données des exercices. La couverture plonge à $12{}^{\circ}$ sur les flancs des plis ; dans le synclinal, elle est traversée par un forage.

Partie I — Les roches et leur épaisseur.

1. Sur un terrain plat, sur un flanc, le calcaire affleure sur une largeur de $866\,\mathrm{m}$, mesurée perpendiculairement à la direction. Trouver son épaisseur réelle.
2. L’argilite affleure sur $481\,\mathrm{m}$. Trouver son épaisseur.
3. Quelle est l’unité la plus ancienne, et selon quel principe ?
4. Dans le forage, l’argilite commence à $766\,\mathrm{m}$, le calcaire à $866\,\mathrm{m}$ et le grès à $1046\,\mathrm{m}$ sous le sol. Vérifier les épaisseurs.
5. La craie est tronquée par la surface du sol. Que peut-on dire de son épaisseur lorsque la mer crétacée s’est retirée ?
6. Trouver la porosité de la craie à la surface et à la base de la craie dans le forage.

Partie II — Milieux.

7. Que disent les crinoïdes, brachiopodes, bélemnites et ammonites du calcaire fin sur son eau ?
8. Quels ichnofaciès forment ses traces, et dans quelle partie du profil ?
9. Que traduisent ses lits de coquilles brisées à base nette ?
10. L’argilite est sombre, localement laminée, avec de la pyrite et peu de terriers. Que dit-elle de l’eau de fond ?
11. Ses lits plus clairs renferment des terriers hélicoïdaux à feuillets. Quel ichnofaciès, et dans quel milieu ?
12. Les ammonites de l’argilite font-elles partie d’une biocénose du fond ? Expliquer.

Partie III — Temps et taux. Les lits de calcaire les plus bas renferment les ammonites de la première zone toarcienne, les plus hauts celles de la dernière, et l’argilite commence avec la première zone aalénienne.

13. Combien de temps le calcaire a-t-il mis à s’accumuler ?
14. À quel taux, tel que le calcaire se présente aujourd’hui ?
15. La diagraphie de densité du forage indique $2573\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$ dans le calcaire. Trouver sa porosité.
16. La boue calcaire se dépose avec une porosité de 0.51. Trouver l’épaisseur du sédiment frais.
17. Trouver le taux de sédiment frais.
18. Trouver le taux de grains.
19. Comparer avec l’argilite (Exemple 20.12). Que suggère le changement de taux sur l’apport de carbonate ?

Partie IV — La mer au-dessus de Varden.

20. Lire la colonne du grès à la craie. La mer a-t-elle avancé ou reculé ?
21. Sur la courbe à long terme de Haq et al., le niveau marin mondial se tenait à environ 41, 57 et $86\,\mathrm{m}$ au-dessus d’aujourd’hui, à 184, 174 et $162\,\mathrm{Ma}$. De combien s’est-il élevé pendant le calcaire, pendant l’argilite, et au total ?
22. Supposons que le fond soit passé de $5\,\mathrm{m}$ d’eau sur le haut-fond à $60\,\mathrm{m}$ au sommet de l’argilite. Trouver l’accommodation créée de la base du calcaire au sommet de l’argilite, en comptant les épaisseurs fraîches des deux unités, et son taux moyen.
23. Quelle part de cette accommodation la hausse mondiale peut-elle expliquer ? Qu’est-ce qui a produit le reste ?
24. En résumé, à quel taux la boue calcaire de Varden s’est-elle accumulée lors de son dépôt ?

Solution

Solution de Problème 20.1.

1. $866 \sin 12{}^{\circ} = 866 \times 0.2079 = 180.0\,\mathrm{m}$. 2. $481 \times 0.2079 = 100.0\,\mathrm{m}$. 3. Le grès, par superposition : les flancs ne plongent que de $12{}^{\circ}$, les couches ne sont donc pas renversées, et la plus basse est la plus ancienne. 4. $866 - 766 = 100\,\mathrm{m}$ et $1046 - 866 = 180\,\mathrm{m}$. 5. Au moins $766\,\mathrm{m}$ à cet endroit ; son sommet d’origine est érodé, si bien que son épaisseur totale est inconnue. 6. 0.70 en surface ; $0.70\,e^{-766/1408} = 0.406$ à $766\,\mathrm{m}$. 7. Ce sont des groupes sténohalins : l’eau avait la salinité de la pleine mer. 8. Un ichnofaciès à Cruziana : le large, entre la base de la vague de beau temps et celle de la vague de tempête. 9. Des tempêtes : leurs vagues atteignaient le fond, brisaient les coquilles et les déposaient en lits à base érosive. 10. L’eau de fond était pauvre en oxygène : peu de fouisseurs, laminations conservées, pyrite formée. 11. L’ichnofaciès de Zoophycos, au Mésozoïque sur le plateau inférieur ou le talus, sous la base de la vague de tempête ; de l’oxygène suffisant par moments pour les fouisseurs. 12. Non : les ammonites nageaient dans l’eau au-dessus ; leurs coquilles ont coulé ou dérivé jusqu’au fond après la mort et forment une thanatocénose. 13. $184.2 - 174.7 = 9.5\,\mathrm{Ma}$. 14. $180/9.5 = 18.9\,\mathrm{m}$ par million d’années. 15. $(2710 - 2573)/(2710 - 1000) = 0.080$. 16. $180 \times (1 - 0.080)/(1 - 0.51) = 338\,\mathrm{m}$. 17. $338/9.5 = 35.6\,\mathrm{m}$ par million d’années. 18. $180 \times 0.92/9.5 = 17.4\,\mathrm{m}$ par million d’années. 19. L’argilite donne 11.3 et $4.4\,\mathrm{m}$ par million d’années : le taux des grains a chuté d’environ quatre fois. Le carbonate du haut-fond et du plateau a cessé d’arriver à mesure que le fond s’approfondissait, et seule une lente pluie de boue l’a atteint. 20. La mer a avancé : des rivières, puis un haut-fond, un fond au large, un fond sous la base de la vague de tempête, puis la mer ouverte de la craie. La colonne enregistre une transgression. 21. $57 - 41 = 16\,\mathrm{m}$ sur le calcaire, $86 - 57 = 29\,\mathrm{m}$ sur l’argilite, $45\,\mathrm{m}$ au total. 22. $(60 - 5) + 338 + 148.6 = 542\,\mathrm{m}$, en $184.2 - 161.5 = 22.7\,\mathrm{Ma}$ : $23.9\,\mathrm{m}$ par million d’années. 23. $45/542 = 0.083$ : environ $8\,\%$, et moins si la courbe des cycles exagère l’amplitude. Le reste vient de la subsidence du fond. 24. La boue calcaire du calcaire de Varden s’est accumulée à environ $36\,\mathrm{m}$ par million d’années lors de son dépôt.