La datation relative

Reconstituer l'ordre dans lequel des structures et des événements géologiques se sont succédé, à partir de leurs seules relations géométriques et de leur contenu paléontologique, sans qu'aucun âge ne soit mesuré.

1Les trois principes de la chronologie relative

Comment chacun des trois principes ordonne-t-il des objets géologiques, et jusqu'où s'applique-t-il ?

Une première approche du temps en géologie consiste à étudier la géométrie entre éléments géologiques (strates, roches, failles, plissements) afin de dater la mise en place de ces éléments les uns par rapport aux autres : on parle de datation relative. L'âge des structures n'est pas déterminé ; on détermine l'ordre de leur formation. Trois principes suffisent à ordonner les objets d'un même affleurement. Chacun est établi ci-dessous sur une figure qui ne met en jeu que lui, et suivi des situations dans lesquelles il cesse de s'appliquer.

Le principe de superposition

Énoncé

Dans une série sédimentaire peu ou pas déformée depuis son dépôt, toute strate est plus récente que celle qu'elle recouvre, et plus ancienne que celle qui la recouvre.

Le principe s'appuie sur deux propriétés du dépôt sédimentaire : les couches se déposent en lits sensiblement horizontaux, et chacune s'étend latéralement jusqu'à une limite du bassin. Il ne porte que sur des strates sédimentaires, et il n'ordonne que des strates appartenant à un même empilement.

Étape 1 sur 5
Le principe de superposition et ses limites À gauche, un bassin dans lequel quatre strates se déposent l'une sur l'autre sous la mer, S1 la plus ancienne à la base. À droite, la colonne des quatre strates rangées du plus ancien en bas au plus récent en haut. La figure montre ensuite deux situations où la lecture est en défaut : la même série renversée par un basculement tectonique, où l'ordre lu est l'inverse de l'ordre de dépôt, et un filon-couche injecté entre deux strates, qui occupe la place d'une strate dans l'empilement sans en être une.
Limites du principe de superposition
  • La série doit être encore dans sa position de dépôt. Un basculement tectonique, flanc inverse d'un pli couché ou panneau charrié, peut renverser l'empilement : le principe, appliqué tel quel, donne alors l'inverse de l'ordre de dépôt. Le géologue vérifie donc la polarité de la série au moyen de figures acquises au moment même du dépôt, comme le granoclassement d'un banc ou les fossiles conservés en position de vie.
  • Une couche de l'empilement n'est pas nécessairement une strate. Un filon-couche, injecté entre deux strates après leur dépôt, est plus récent que toutes celles qu'il traverse : il a développé une auréole de métamorphisme de contact à son mur comme à son toit, et il recoupe localement les couches pour passer d'un niveau à l'autre. Une coulée volcanique interstratifiée, en revanche, s'est épanchée à la surface pendant le dépôt : le métamorphisme de contact n'affecte que le terrain sur lequel elle repose, son toit porte les traces d'une altération, et le principe s'y applique.
  • Le principe donne un ordre, non des durées. La surface qui sépare deux strates peut correspondre à une interruption de la sédimentation dont aucune roche n'a gardé la trace : deux couches superposées ne sont pas nécessairement d'âges voisins.

Le principe de recoupement et d'affectation

Énoncé

Toute structure qui en recoupe une autre lui est postérieure ; toute déformation qui en affecte une autre lui est postérieure.

Le principe se décline ainsi en deux formes, selon la nature de l'objet daté. Le recoupement vaut pour un objet qui en traverse ou en tronque un autre : filon, pluton, plan de faille, surface d'érosion. L'affectation vaut pour une déformation qui en déplace ou en déforme un autre : plissement, jeu d'une faille. Dans les deux cas la relation s'enchaîne : si le filon recoupe la faille et si le jeu de la faille affecte les strates, les strates sont les plus anciennes des trois.

Étape 1 sur 6
Le principe de recoupement et d'affectation, et ses limites À gauche, un affleurement où trois strates sédimentaires sont décalées par une faille, traversées par un filon qui recoupe le plan de faille sans être décalé, et tronquées par une surface d'érosion que recouvre une quatrième strate. À droite, la chronologie que ces recoupements établissent. La figure montre ensuite deux limites : la même faille rejouant après le dépôt de la quatrième strate, avec un rejet plus grand dans les strates anciennes que dans la couverture, et deux affleurements de même géométrie où un granite est en contact avec des strates, intrusif dans l'un, érodé et recouvert dans l'autre.
Limites du principe de recoupement et d'affectation
  • L'affectation ne date que le dernier jeu de la structure. Une faille peut rejouer. Le rejet mesuré dans les strates les plus anciennes est alors plus grand que celui mesuré dans les plus récentes, et c'est cette différence de rejet qui révèle que plusieurs mouvements se sont succédé.
  • Un contact ne se lit pas à lui seul. Un granite en contact avec des strates peut les recouper, et leur être postérieur, ou constituer un socle érodé sur lequel elles se sont déposées, et leur être antérieur. Ce sont les observations faites de part et d'autre du contact qui tranchent : auréole de métamorphisme de contact, enclaves de l'encaissant et filons issus du massif dans le premier cas ; surface d'érosion et conglomérat à galets de granite à la base de la série dans le second.
  • Le principe donne un ordre, non des durées. Rien ne dit combien de temps sépare la formation de la structure recoupée de celle qui la recoupe.

Le principe d'inclusion

Énoncé

Toute inclusion est plus ancienne que la structure qui l'entoure.

Une inclusion est un fragment d'une roche préexistante, entouré de toutes parts par la roche qui l'a englobé : enclave arrachée à l'encaissant par un magma, galet hérité d'un massif érodé, cristal pris dans un autre cristal.

Étape 1 sur 5
Le principe d'inclusion et ses limites Un magma qui monte au travers d'un encaissant schisteux en arrache des fragments, qui restent emprisonnés dans le granite lorsque la chambre cristallise ; puis un massif granitique érodé dont les galets, transportés jusqu'à un bassin, sont cimentés en un conglomérat. La figure montre ensuite deux limites : un corps sombre enclos dans une strate, qui se révèle être un filon la recoupant dans un cas et un galet inclus dans l'autre, et une cavité ouverte dans un calcaire dont les cristaux, implantés sur les parois, sont postérieurs à la roche qui les enclôt.
Limites du principe d'inclusion
  • Ne pas confondre inclusion et recoupement. Un filon, ou un pluton, traverse les strates de part en part et se raccorde à un corps plus vaste : il les recoupe et leur est postérieur, il n'y est pas inclus. Une enclave ou un galet est isolé, entouré de toutes parts, et c'est sa propre structure interne que sa limite tronque.
  • Un remplissage n'est pas une inclusion. Les cristaux qui garnissent une fissure ou une cavité de la roche sont enclos dans elle sans lui être antérieurs : ils s'y sont formés après. Ils se reconnaissent à ce qu'ils sont implantés sur les parois et croissent vers le vide, et à ce que la limite du remplissage recoupe la roche.
  • Le principe donne un ordre, non des durées. Entre la cristallisation d'un granite et le dépôt du conglomérat qui en contient les galets, il a fallu que le massif soit porté à l'affleurement, érodé, et ses débris transportés : le galet peut être beaucoup plus ancien que la roche qui l'entoure.

Le même raisonnement à l'échelle de la lame mince

Les relations géométriques s'établissent à toutes les échelles d'observation. Dans une lame mince de granite observée au microscope polarisant, un cristal de zircon entièrement entouré par un cristal de biotite est une inclusion : d'après le principe d'inclusion, il est plus ancien que la biotite, donc plus ancien que la cristallisation du granite. Le halo sombre qui entoure souvent le zircon dans la biotite résulte de la désintégration de l'uranium que le zircon incorpore lors de sa formation : il est postérieur au zircon.

Le principe d'inclusion à l'échelle de la lame mince Schéma d'une lame mince de granite observée au microscope polarisant : cristaux de quartz, de feldspath alcalin, de plagioclase et de biotite. Deux petits cristaux de zircon sont entièrement inclus dans une biotite et entourés chacun d'un halo sombre. Le zircon, inclus, est plus ancien que le minéral qui l'entoure.
Les trois principes ne portent que sur des relations géométriques entre objets qui se touchent. Ils ordonnent les structures d'un même affleurement, à toutes les échelles, et n'attribuent aucun âge. Pour comparer des formations qui ne se touchent pas, il faut leur contenu paléontologique : la partie 5 y vient. La partie suivante les met en oeuvre ensemble sur une coupe où les trois interviennent.

2Les trois principes à l'oeuvre sur une coupe

Comment l'observation des relations géométriques entre structures géologiques renseigne-t-elle sur leur âge relatif ?

Les trois principes s'appliquent rarement seuls. Sur un affleurement, ils se combinent et s'enchaînent : chacun place un événement que les autres n'auraient pas placé, et l'ordre obtenu vaut ce que vaut la relation géométrique sur laquelle il repose. Ils sont rappelés ici sous la forme où la partie précédente les a établis.

Principe de superposition

Dans une série sédimentaire peu ou pas déformée depuis son dépôt, toute strate est plus récente que celle qu'elle recouvre.

Principe de recoupement et d'affectation

Toute structure qui en recoupe une autre lui est postérieure ; toute déformation qui en affecte une autre lui est postérieure.

Principe d'inclusion

Toute inclusion est plus ancienne que la structure qui l'entoure.

La coupe ci-dessous porte une série sédimentaire, un pli, deux failles, un pluton granitique et son auréole de métamorphisme de contact, un filon, une surface d'érosion et deux strates qui la recouvrent : aucun de ces objets ne livre son âge. Chaque étape met en évidence une relation géométrique et en tire une conclusion ; la colonne de droite range les événements du plus ancien, en bas, au plus récent, en haut, et nomme le principe qui a permis de les placer.

Étape 1 sur 9
Établissement de la chronologie relative sur une coupe géologique À gauche, une coupe de six kilomètres de largeur et d'un peu plus de trois kilomètres de hauteur. Une série sédimentaire de quatre strates y est plissée en un anticlinal et décalée par une faille ; un pluton granitique, entouré d'une auréole de métamorphisme de contact et contenant des enclaves de cornéennes, la recoupe, et un filon de microgranite recoupe le pluton. Une surface d'érosion tronque l'ensemble ; deux strates la recouvrent en discordance, la première étant un conglomérat à galets de granite. Une seconde faille décale la surface d'érosion et ces deux strates. À droite, la colonne des événements, rangés du plus ancien en bas au plus récent en haut, chacun portant le principe qui l'a placé.
relation lue par le principe de superposition relation lue par le recoupement ou l'affectation relation lue par le principe d'inclusion
Ne pas confondre inclusion et recoupement. Un pluton granitique, ou un filon, recoupe les strates qu'il traverse, mais il n'est pas inclus dans ces strates : le principe qui s'applique est celui du recoupement. L'enclave de cornéenne prise dans le granite et le galet de granite pris dans le conglomérat sont, eux, de véritables inclusions : ils existaient avant la roche qui les entoure.

3L'histoire reconstituée

Que faut-il qu'il se soit produit auparavant pour que l'on arrive à la coupe observée aujourd'hui ?

La lecture des relations géométriques a livré un ordre. Cet ordre se lit à rebours, du présent vers le passé ; l'histoire, elle, s'est déroulée dans l'autre sens. La même coupe est ici reconstruite du plus ancien au plus récent : chaque étape ajoute l'événement que la partie précédente a placé dans la colonne, et le paysage change avec lui.

Étape 1 sur 9
Mise en place chronologique des structures de la coupe La même coupe que dans la partie précédente, reconstruite dans le sens du temps : dépôt des quatre strates de la série sédimentaire sous la mer, plissement en anticlinal et émersion, jeu d'une faille normale, mise en place d'un pluton granitique avec son auréole de métamorphisme de contact et ses enclaves, injection d'un filon de microgranite, érosion qui rabote le relief et met le granite à l'affleurement, dépôt d'un conglomérat à galets de granite puis d'une seconde strate en discordance, enfin jeu d'une seconde faille qui décale l'ensemble. Une échelle des longueurs et une frise des événements accompagnent la coupe.
La chronologie relative donne un ordre, elle ne donne ni des âges, ni des durées. Rien, dans cette coupe, ne dit combien de temps a duré le dépôt de la série, ni combien de temps s'est écoulé entre la mise en place du pluton et le dépôt du conglomérat qui contient ses galets. La surface d'érosion représente d'ailleurs un temps qu'aucune roche n'enregistre ici. Seule la chronologie absolue, par les méthodes de radiochronologie, permet de chiffrer ces intervalles, et les deux approches se complètent.

4Les séries renversées : la limite du principe de superposition

Comment s'assurer qu'une strate occupe encore la position qu'elle avait au moment de son dépôt ?

Le principe de superposition ne vaut que pour une série sédimentaire peu ou pas déformée depuis son dépôt. Des accidents tectoniques peuvent modifier, voire inverser l'empilement initial des strates. Le géologue recherche alors des critères de polarité, qui sont des figures enregistrées dans la roche au moment même de son dépôt et dont l'orientation d'origine est connue : granoclassement d'un banc, fossiles en position de vie, figures de la surface d'une strate.

Étape 1 sur 5
Polarité d'une série sédimentaire dans un pli déversé À gauche, une série de quatre strates granoclassées, d'abord horizontales, puis reprises dans un pli déversé dont le flanc inférieur est renversé. À droite, l'agrandissement d'un banc, qui montre le granoclassement, et la comparaison de l'ordre lu par le seul principe de superposition avec l'ordre de dépôt réel.
Le granoclassement. Dans un banc déposé par un courant qui s'affaiblit, les particules les plus grossières sédimentent d'abord et les plus fines ensuite : le banc est granoclassé, du grossier à sa base au fin à son sommet. Cette organisation est acquise au dépôt et ne change plus. Lue à l'affleurement, elle indique donc où était le haut au moment du dépôt, indépendamment de la position actuelle du banc.

5Corréler des formations de régions éloignées

Comment l'étude des fossiles permet-elle de dater des éléments géologiques éloignés ?

Les relations géométriques ne s'observent que là où les objets se touchent : elles ordonnent les structures d'une même région et ne disent rien de deux formations séparées par des centaines de kilomètres. Or les événements géologiques doivent être comparés d'une région à l'autre. C'est le contenu paléontologique des strates qui rend cette comparaison possible.

À la fin du XVIIIe siècle, lors du creusement des canaux qui acheminaient le charbon en Angleterre, William Smith constate que la même succession de strates se retrouve d'une tranchée à l'autre et qu'il reconnaît chaque strate à son contenu fossilifère. La nature de la roche, elle, peut tromper : deux strates d'âges différents peuvent présenter la même lithologie, et une même strate peut changer de lithologie d'un point à un autre. Smith date donc les strates par leurs fossiles, et non par leur nature.

Le principe d'identité paléontologique

Énoncé

Deux strates possédant le même contenu paléontologique doivent avoir le même âge.

Les fossiles changent au cours des temps géologiques : les formes de vie évoluent et peuvent disparaître brutalement. La succession verticale des associations de fossiles est donc la même partout, et elle sert de repère commun à des régions éloignées.

Étape 1 sur 6
Corrélation de deux séries éloignées par leur contenu paléontologique Deux colonnes stratigraphiques relevées dans deux régions distantes de plusieurs centaines de kilomètres, de lithologies et d'épaisseurs différentes. Les mêmes espèces d'ammonites y sont retrouvées dans le même ordre de succession, ce qui permet de tracer les lignes de corrélation entre les deux colonnes. Un bivalve benthique, présent dans toute la série d'une seule des deux régions, ne permet aucune corrélation.
Fossiles stratigraphiques

Tous les fossiles ne conviennent pas. Un bon fossile stratigraphique répond à trois critères : l'espèce doit avoir existé pendant une courte période à l'échelle des temps géologiques, de l'ordre du million d'années ou moins, ce qui donne à la corrélation sa précision ; elle doit être représentée par un grand nombre d'individus, pour être fréquente dans les sédiments de son époque ; elle doit avoir présenté une grande extension géographique, ce qui suppose en général une espèce marine pélagique, comme les ammonites, ou planctonique, comme les foraminifères.

Une espèce à longue durée d'existence donne une corrélation imprécise ; une espèce benthique, à répartition étroite, ne permet pas de corréler des régions éloignées ; une espèce rare a peu de chances d'être trouvée dans les deux séries.

Le principe de continuité

Énoncé

Lorsque deux strates sont limitées par le même mur et le même toit, elles correspondent à une seule et unique couche, dont l'âge est identique.

L'érosion peut interrompre une strate. Pour comparer, dans une région donnée, deux strates qui ne sont pas en continuité, le géologue observe les strates qui les encadrent : la strate inférieure, ou mur, et la strate supérieure, ou toit.

Étape 1 sur 5
Principe de continuité et diachronisme d'une couche transgressive Une couche interrompue par une vallée d'érosion affleure de part et d'autre. Les deux affleurements sont encadrés par le même mur et le même toit : ils appartiennent à une seule couche. La suite de la figure montre la limite du principe : lors d'une transgression, le dépôt se déplace vers le continent, si bien qu'une couche géométriquement continue n'a pas le même âge en tout point.
Limites. Des fossiles identiques mais non stratigraphiques ne permettent pas de comparer l'âge de deux strates. Des fossiles stratigraphiques différents peuvent se rencontrer dans des strates de même âge : ils indiquent alors, par exemple, des conditions de milieu différentes. De même, un changement de nature de la roche, de litho-faciès ou de bio-faciès, ne signifie pas nécessairement un âge différent : il peut marquer le passage d'un milieu de sédimentation à un autre.

6La région de Flamanville

Comment reconstituer l'histoire géologique d'une région à partir des objets géologiques observés à l'affleurement ?

La carte et la coupe ci-dessous sont simplifiées d'après la carte géologique de la France au 1/50 000, feuille Les Pieux, dans le Cotentin. Le massif de Flamanville est un massif plutonique de la famille des granites, désigné dans les documents scolaires comme la granodiorite de Flamanville et rangé par la carte du BRGM parmi les monzogranites calco-alcalins. Il a cristallisé en profondeur et affleure aujourd'hui à la surface. Les observations rassemblées ci-dessous suffisent à ordonner les événements ; à vous de les employer.

Carte géologique simplifiée et coupe de la région de Flamanville À gauche, la carte simplifiée. Les formations sédimentaires, du Cambrien au Dévonien, y dessinent des bandes symétriques de part et d'autre d'un axe : le Dévonien au coeur, le Cambrien à l'extérieur, disposition d'un synclinal. La granodiorite de Flamanville forme une tache circulaire qui recoupe ces bandes, entourée d'une auréole de métamorphisme de contact figurée en hachures ; l'anneau de cette auréole traverse les limites des formations. Des filons de microgranite recoupent la granodiorite et son encaissant. Une tache d'argiles à silex du Sénonien repose à cheval sur le contact entre la granodiorite et les formations. Les formations récentes bordent le littoral, à l'ouest. À droite, la coupe AB, qui est un agrandissement de la carte le long du trait de coupe : les formations y dessinent une cuvette, le pluton et son auréole les recoupent, deux filons traversent la coupe, une surface d'érosion tronque l'ensemble, et les argiles à silex puis les formations récentes reposent sur elle.
Observations
  • Les formations sédimentaires, du Cambrien au Dévonien, sont datées par les fossiles qu'elles contiennent. Leur succession est celle qui est portée sur la légende de la carte.
  • Les schistes et calcaires de Néhou, du Dévonien, se sont déposés à l'horizontale ; ils sont aujourd'hui inclinés et plissés, comme toutes les formations plus anciennes.
  • Une auréole de métamorphisme de contact entoure la granodiorite. Elle dessine un anneau centré sur le pluton, qui recoupe les limites des formations plissées. Les schistes et les grès y sont transformés en cornéennes.
  • Des enclaves de cornéennes sont prises dans la granodiorite.
  • Des filons de microgranite traversent la granodiorite et les formations encaissantes.
  • La granodiorite, roche plutonique, a cristallisé en profondeur ; elle affleure aujourd'hui à la surface, comme les formations qu'elle recoupe.
  • Les argiles à silex du Sénonien reposent sur une surface qui tronque indifféremment la granodiorite et les formations sédimentaires plissées.
  • Les formations récentes recouvrent localement l'ensemble.

Reconstituez la chronologie

Désignez les événements dans l'ordre, du plus ancien au plus récent. Le dernier choix peut être retiré, et la liste remise à zéro.

Événements à ordonner
    Votre chronologie, du plus ancien au plus récent

      Aucun événement n'est encore placé.

      Correction

      La coupe est reconstruite ci-dessous dans l'ordre des événements, du plus ancien au plus récent. Chaque étape nomme le principe qui a permis de placer l'événement.

      Étape 1 sur 9
      Reconstitution de la coupe AB de la région de Flamanville La coupe AB de la carte précédente, reconstruite étape par étape dans l'ordre des événements : dépôt des formations du Cambrien au Dévonien, plissement en synclinal, mise en place de la granodiorite et de son auréole de métamorphisme de contact, injection des filons de microgranite, érosion qui tronque l'ensemble, puis dépôt des argiles à silex du Sénonien et des formations récentes sur la surface d'érosion.