mésozoïque

Le mésozoïque est une ère géologique, d'une durée de 185 millions d'années, intermédiaire entre le paléozoïque et le cénozoïque, appelée autrefois secondaire.
Le mésozoïque voit la dislocation des masses continentales par l'ouverture des nouveaux océans. L'ouverture de l'océan Atlantique, d'abord au sud puis au nord, éloigne progressivement l'Amérique de l'Afrique et de l'Europe. L'ouverture de l'océan Indien fragmente le bloc Afrique-Australie-Antarctique, mais l'Inde reste soudée à l'Afrique. L'océan Mésogée sépare l'Afrique du bloc Eurasie, puis commence à se refermer.
De nouvelles espèces vivantes apparaissent et certaines atteignent leur apogée, tels les ammonites ou les reptiles géants, qui allaient disparaître à la fin du mésozoïque, comme 60 % des autres espèces peuplant la Terre. Vers la fin du mésozoïque apparaissent les mammifères et les végétaux angiospermes.
Le mésozoïque représente une durée d'environ 185 millions d'années. Cette durée n'équivaut même pas à la moitié de celle du paléozoïque, et ne correspond qu'à une faible partie des temps fossilifères. EIle n'est cependant pas négligeable par rapport au cénozoïque (tertiaire et quaternaire), beaucoup plus court.

1. Signification du terme mésozoïque
Le terme mésozoïque a l'intérêt de montrer la position des temps secondaires par rapport à l'histoire de la vie sur la Terre (du grec mesos, moyen, et zôon, être vivant). Ce terme ne signifie pas que l'on soit alors au « milieu » de cette histoire des êtres vivants, puisqu'il y a au début du mésozoïque 600 millions d'années que des groupes d'organismes importants sont développés, et qu'à la fin de l'ère il n'y a plus que 60 millions d'années pour qu'apparaisse l'Homme. Le terme mésozoïque indique bien que cette période représente une espèce de « Moyen Age » dans l'histoire de la vie, histoire dont le paléozoïque (primaire) serait l'« Antiquité » et dont le cénozoïque (tertiaire et quaternaire) recouvrirait les « Temps modernes et l'époque contemporaine ».

2. Les subdivisions du mésozoïque
Le mésozoïque se subdivise en trois grands systèmes géologiques :
– trias, de – 251 à – 200 millions d'années (durée : 51 millions d'années) ;
– jurassique, de – 200 à – 145 millions d'années (durée : 55 millions d'années) ;
– crétacé, de – 145 à – 65 millions d'années (durée : 80 millions d'années).
Les divisions stratigraphiques du mésozoïque
Subdivisions du mésozoïque (secondaire)
Durée : 86 millions d'années
Étages
Date de début
Principaux événements
crétacé (– 146 à – 65 millions d'années)
crétacé supérieur
maastrichtien
– 71 millions d'années
extinction massive d'espèces
campanien
– 84 millions d'années
premiers serpents
santonien
– 86 millions d'années
 
coniacien
– 89 millions d'années
 
turonien
– 94 millions d'années
 
cénomanien
– 100 millions d'années
premières plantes à fleurs
crétacé inférieur
albien
– 112 millions d'années
 
aptien
– 125 millions d'années
 
barrémien
– 130 millions d'années
 
hauterivien
– 134 millions d'années
 
valanginien
– 140 millions d'années
 
berriasien
– 146 millions d'années
 
jurassique (– 200 à – 146 millions d'années)
jurassique supérieur (malm)
thitonien
– 151 millions d'années
oiseau primitif : l'archéoptérix
kimméridgien
– 156 millions d'années
 
oxfordien
– 161 millions d'années
 
jurassique moyen (dogger)
callovien
– 165 millions d'années
 
bathonien
– 168 millions d'années
 
bajocien
– 172 millions d'années
 
aalénien
– 176 millions d'années
 
jurassique inférieur (lias)
toarcien
– 183 millions d'années
 
pliensbachien
– 190 millions d'années
 
sinémurien
– 197 millions d'années
 
hettangien
– 200 millions d'années
 
trias (– 251 à – 200 millions d'années)
trias supérieur
rhétien
– 204 millions d'années
premiers dinosaures
norien
– 216 millions d'années
premières tortues
carnien
– 228 millions d'années
 
trias moyen
ladinien
– 237 millions d'années
 
anisien
– 246 millions d'années
 
trias inférieur
olénékien
– 250 millions d'années
 
induen
– 251 millions d'années
 
Les coupures du mésozoïque, trias, jurassique, crétacé, proviennent de lieux situés en Europe (Jura, formation de la craie). Il en va de même des subdivisions encore plus fines : la notion d'étage géologique vient de terrains du jurassique ou du crétacé pris comme stratotypes (sinémurien de Semur, bajocien de Bayeux, albien de l'Aube, cénomanien du Maine, turonien de Tours sont quelques exemples).

3. La valeur stratigraphique des ammonites

La valeur stratigraphique des ammonites a permis d'étudier correctement et de dater les terrains mésozoïques. Ces céphalopodes sont des espèces pélagiques dont les coquilles sont facilement transportables par flottaison et peuvent être répandues dans une large aire, et qui sont donc indépendantes du faciès des dépôts où on les recueille. Par ailleurs, elles présentent des mutations successives assez nettes. Cela a permis de définir une série de biozones, bases de toute subdivision biostratigraphique, en considérant l'extension dans le temps d'une espèce ou d'un genre donné, ou, pour une meilleure précision, d'une association caractéristique de genres ou d'espèces.

4. Les changements géologiques : l'ouverture des océans actuels
Cette grande période correspond à la dislocation des édifices précédemment construits, les continents et les chaînes primaires; il s'y prépare le bâti de ce qui deviendra les chaînes alpines et péripacifiques, cela pouvant s'expliquer par un phénomène à l'échelle du globe. Le mésozoïque est la période de la naissance, de l'ouverture des océans actuels. Ces faits se sont déroulés sous des climats différents de ceux d'aujourd'hui, ou bien répartis différemment : les changements possibles de latitude sont explicables par les mouvements relatifs des pôles et des continents. Les climats ont été dans l'hémisphère Nord assez chauds (de 5 à 10 °C en moyenne de plus que de nos jours, ce qui explique l'importance des formations calcaires au cours du jurassique et du crétacé et plus particulièrement des édifices coralliens). Ils se sont refroidis lentement au crétacé supérieur. Les territoires de l'hémisphère austral soumis aux glaciations à la fin du primaire ont connu par contre un lent réchauffement.

5. La vie au mésozoïque

Le mésozoïque est marqué par :
– l'absence de certains groupes connus au primaire qui ont disparu au cours ou à la fin de cette ère, par exemple les graptolites, les trilobites, les fusulines ;
– la diminution progressive et la disparition de certains autres au cours du trias, du jurassique ou du crétacé (par exemple parmi les brachiopodes, l'important groupe des spirifers. Chez les végétaux, les ptéridospermées [fougères à graine], les cordaïtes. Chez les vertébrés, les batraciens géants) ;
– le remarquable développement, suivi de la spectaculaire apogée, puis de la disparition à la fin de l'ère de groupes comme les ammonites ou les reptiles géants ;
– l'apparition de formes qui ont actuellement une importance considérable, les oiseaux, les mammifères et les végétaux angiospermes.

Dans les mers du mésozoïque, les genres et espèces représentés sont nombreux. On constate un développement des échinodermes (oursins et encrines, dont les débris forment les calcaires à entroques), et on assiste avec les nérinées (gastropodes), les polypiers (madréporaires) ou les algues mélobésiées à la formation de nombreux calcaires construits. Les céphalopodes pullulent, non seulement les ammonites, mais aussi les bélemnites et les nautiles. Les foraminifères sont nombreux et jouent un rôle de constructeurs de roches (orbitolines) ou de marqueurs stratigraphiques (globotruncanidés).
Le monde continental est colonisé depuis le paléozoïque. Mais il ne reste que pour peu de temps encore des batraciens (amphibiens) géants, vestiges de cette ère. Les reptiles primitifs ont déjà, à l'aube du mésozoïque, subi une diversification : ils ont été séparés en une lignée reptilienne et une lignée mammalienne, par un phénomène de divergence très précoce.

5.1. Les reptiles géants : les dinosaures

Les reptiles sont donc un groupe très hétérogène. C'est une juxtaposition de formes très spécialisées et de formes très discrètes représentant des groupes souches. Après la souche des mammifères, ils comporteront la souche des oiseaux, la souche aussi des reptiles actuels. Les crocodiles apparaissent au jurassique, les ophidiens (serpents) au crétacé.

Les formes spécialisées sont évidemment plus connues : c'est le développement, puis la disparition des reptiles géants. Ils ont en effet peuplé tous les milieux terrestres, marins, aériens, illustrant quelques-unes des meilleures possibilités d'adaptation.
Les reptiles dans le milieu terrestre

Les plus connus sont les dinosaures, dont l'âge d'or se situe au jurassique et au crétacé inférieur.La diversification a abouti à d'énormes et paisibles herbivores (30 m de long, 50 tonnes) ou à de féroces carnassiers (tyrannosaures).


Les ichtyosaures témoignent d'une parfaite adaptation au mode de vie aquatique (forme, appareil natatoire, y compris viviparité).
Les reptiles dans le milieu aérien
Les reptiles volants (ptérosaures) conquièrent le monde aérien dès – 180 millions d'années.

5.2. Petits mammifères primitifs, archœopteryx et oiseaux à dents

À côté de ces formes adaptées se développent les petits mammifères primitifs (fin du trias, début du jurassique), auxquels succèdent des multituberculés, des marsupiaux, qui seront nombreux au crétacé. Une évolution parallèle existe dans les formes aviennes. L'archéoptéryx (à caractères intermédiaires entre oiseaux et reptiles) vit au jurassique (– 140 millions d'années). Le milieu aérien verra ensuite le développement des oiseaux à dents (– 80 millions d'années).

5.3. Les végétaux et les insectes
Chez les végétaux, où c'est l'apogée des gymnospermes, il existe des formes vieillissantes (cycas, ginkgo). Mais les conifères ont une place importante. Il y a surtout au crétacé moyen le développement des angiospermes (dicotylédones). En même temps que les plantes à fleurs apparaissent les insectes butineurs (papillons, abeilles, fourmis) : tous les grands ordres d'insectes sont alors représentés.

5.4. L'extinction massive de la fin du mésozoïque

La fin du mésozoïque (c'est-à-dire la fin du crétacé), il y a 65 millions d'années, est la période posant le problème paléobiologique le plus difficile. Beaucoup de groupes actuels existent au crétacé, beaucoup de groupes survivent au tertiaire sans être affectés : les nautiles, les insectes, les poissons, les crocodiles, les tortues, etc., comme autant de formes « conservatrices ». Par contre, beaucoup de formes (celles qui étaient très évoluées) disparaissent (reptiles géants, ammonites, beaucoup de foraminifères, un quart des familles animales au total). Phénomène étrange, cette catastrophe touche tous les écosystèmes : les plantes autant que les animaux, 60 à 75 % des espèces marines, des milliers d'espèces terrestres, en particulier les animaux pesant plus de 25 kg, les espèces vivant dans les milieux tropicaux ou fréquentant les eaux douces des continents. Toutes s'éteignent quasi simultanément. Le processus d'extinction fut rapide, affectant l'ensemble de la planète et de ses mers.

L'hypothèse de la météorite
L'étude des couches géologiques déposées au moment de la crise a permis de découvrir un taux anormalement élevé d'iridium, métal lourd de numéro atomique 77. On suppose que cela pourrait être la conséquence de la chute d'une météorite gigantesque, de 10 km de diamètre, dont la collision avec la Terre aurait libéré une énergie supérieure à plusieurs dizaines de bombes atomiques. D'ailleurs, les restes d'une météorite de grande taille, ou tout au moins son cratère d'impact, ont été retrouvés dans le golfe du Mexique. Cette donnée conforte l'hypothèse de collision. Dans sa chute, la météorite aurait provoqué une onde de choc colossale, aurait explosé en de nombreux fragments et répandu une telle poussière dans l'atmosphère que, les rayons du Soleil n'atteignant quasiment plus notre planète, il s'en serait suivi un arrêt de la photosynthèse et un refroidissement climatique général. La traversée de notre atmosphère par cette météorite aurait provoqué, par oxydation de l'azote atmosphérique, une pollution en dioxyde d'azote (NO2). Avec la disparition d'une grande partie des plantes et du plancton, le taux de dioxyde de carbone (CO2, auparavant assimilé par ces organismes photosynthétiques) se serait anormalement élevé, provoquant une importante augmentation de la température par effet de serre. La présence dans l'atmosphère de gaz tels que NO2 et CO2 aurait amené, à chaque pluie, la précipitation d'énormes quantités d'acides nitrique et carbonique (les « pluies acides ») nocives pour les êtres vivants.
Toutefois, il demeure un fait inexpliqué : tous les animaux et toutes les plantes n'ont pas été affectés par la catastrophe.

Les autres hypothèses
Des scientifiques avancent qu'une augmentation générale du volcanisme, identifiée dans les couches géologiques de la fin du mésozoïque par le taux anormalement élevé d'iridium, aurait provoqué un bouleversement climatique si brutal et si rapide que les espèces les plus fragiles n'auraient pas pu s'adapter. Elle représente l'hypothèse la plus probable si l'on ne retient pas celle de la météorite. Dans un autre scénario, le bouleversement climatique aurait été provoqué par la dérive des continents. Mais, en pareil cas, les changements n'auraient pas été suffisamment rapides pour expliquer le caractère brutal de l'extinction. Enfin, plus anecdotique, on a fait l'hypothèse de l'apparition de nouvelles espèces de plantes à fleurs toxiques qui auraient décimé nombre d'herbivores, et par là même bouleversé l'ensemble des écosystèmes.

6. La Terre au mésozoïque
Au début du mésozoïque, la surface du globe peut être décrite comme un assemblage de deux supercontinents :
– le bloc laurasien (Amérique du Nord, Groenland, Europe, Asie du Nord) ;
– le bloc gondwanien (Amérique du Sud, Afrique, Inde, Australie, Antarctique).

Les événements essentiels du mésozoïque, capitaux pour comprendre la géographie actuelle du globe, sont, d'une part, les mouvements de séparation et de jeu relatif des deux blocs dans la zone instable dite de la Mésogée et, d'autre part, l'éclatement de chacun des blocs par le mécanisme dit d'ouverture océanique. Ce mécanisme, continu et qui dure encore actuellement, consiste en la fracturation des blocs continentaux, en leur séparation donnant naissance à un océan. Par suite de l'expansion des fonds océaniques, l'ouverture progressive des océans entraîne l'écartement, puis la dérive des blocs continentaux. Ce mécanisme, qui a donné naissance aux océans comme l'Atlantique ou l'Indien, est de plus responsable de la formation des importantes cordillères périocéaniques. La théorie moderne de la tectonique des plaques a bien montré que l'antagonisme entre blocs mobiles (surtout entre domaine océanique et masses continentales) entraînait la naissance de chaînes bordières du type de la bordure pacifique (chaînes bordières de type andin).

6.1. L'ouverture des océans et la dérive des continents


Les premières étapes, les plus déterminantes, de ce mécanisme ont eu lieu au cours du mésozoïque.
De – 180 millions d'années à – 135 millions d'années, c'est l'ouverture de l'océan Atlantique et de l'océan Indien. Ces océans, d'abord étroits, reçoivent peu à peu des dépôts. Ils ne contiennent guère de sédiments plus vieux que – 150 millions d'années. La fin du jurassique (– 135 millions d'années) marque le début de la séparation Amérique du Sud-Afrique et Afrique-Inde.
Au début du crétacé, c'est le pivotage de l'Amérique du Sud, qui s'écarte de l'Afrique, et le pivotage de l'Inde, qui s'éloigne également de l'Afrique.
Au crétacé moyen, puis au crétacé supérieur (environ de – 100 millions d'années à – 70 millions d'années), il y a rupture complète entre l'Australie et l'Antarctique et fissuration du bloc Europe (ouverture du golfe de Gascogne).
Pendant ce temps, des mouvements semblant antagonistes se développent dans la zone de la Mésogée, où l'instabilité est fréquente : en particulier, une interaction constante entre blocs africain et eurasien domine l'histoire complexe des géosynclinaux mésogéens (de Gibraltar à la Birmanie ?). Des dislocations au trias, au jurassique supérieur et surtout au crétacé moyen (– 100 millions d'années) aboutissent au bâti de ce qui deviendra le système alpin, disposé perpendiculairement à l'axe de la grande disjonction atlantique.

7. Les événements géologiques à l'échelle des continents
Les conséquences géologiques de ces mouvements, qui affectent une bonne partie du globe, sont très grandes. Elles se traduisent tant au point de vue sédimentaire que tectonique (types de dépôts, agencement de ceux-ci). Au trias, les profondes dislocations ayant fracturé et fait jouer les blocs continentaux sont aussi à l'origine d'importantes coulées basaltiques. C'est le début d'une grande période d'immersion des continents par les mers au jurassique. Si les océans ne sont qu'ébauchés, les surfaces marines n'en sont pas restreintes pour autant : en effet, de vastes mers peu profondes recouvre une large surface des aires continentales, par exemple toute l'Europe occidentale, où les invasions marines ont atteint la France, l'Angleterre l'Allemagne, l'Espagne et l'Afrique du Nord. Au jurassique supérieur, la phase orogénique andine ou névadienne marque une étape importante dans la construction des cordillères ouest-américaines. Pendant le crétacé, période relativement longue (70 millions d'années), l'ébauche d'un nouveau monde se poursuit. Il existe encore des zones d'importants dépôts marin. Le crétacé moyen (– 100 millions d'années) marque l'extension maximale de la transgression marine. Ensuite, le trait donnant de la géologie du mésozoïque va s'effacer. Les vastes mers épicontinentales vont se réduire et disparaître pour la plupart. Les phases orogéniques se succèdent : au crétacé inférieur, au crétacé moyen (phase autrichienne), au crétacé terminal (phase laramienne). Ces phases aboutisses à la construction des chaînes pacifiques, asiatiques, à l'ébauche des Pyrénées (à la suite de l'ouverture du golfe de Gascogne) et développe une embryogenèse de toutes les chaînes du système alpin.

8. Le mésozoïque en France

Les événements géologique du mésozoïque sont particulièrement importants en France puisqu'il expliquent la formation ultérieure des Pyrénées et des Alpes. Mais les dépôts mésozoïques occupent par ailleurs dans le pays une très large place bien visible sur une carte géologique. En effet, les transgressions marines, venant d'abord du domaine mésogéen, puis, dès le crétacé, partant du jeune Atlantique, ont envahi presque tout le territoire : elles ont donc recouvert le soubassement primaire, à l'exception de quelques zones émergées (Massif central, Massif armoricain). Peu profondes, mais très étendues, ces mers ont formé de vaste platiers récifaux où se sont formés les calcaires à entroques, à oolites et polypiers (jurassique de Bourgogne, Lorraine, Poitou, Causses...), les calcaires à polypiers du crétacé provençal, ou bien aussi les vasières fines qui ont donné naissance à la craie de Normandie, de Picardie ou de Champagne.

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jurassique

Système du mésozoïque, le jurassique se situe, à l'ère secondaire, entre le trias et le crétacé, de – 200 à – 145 millions d'années (durée : 55 millions d'années).

Amorcé au trias, le mouvement d'ouverture séparant d'un côté l'Europe et l'Amérique du Nord, et de l'autre le Gondwana se matérialise par le développement de la Téthys, cet océan qui s'ouvre de l'est vers l'ouest. Il est bordé par la Turquie, les Carpates, les Alpes, l'Afrique du Nord et le golfe du Mexique. Dans le même temps, Madagascar et l'Inde continuent à se séparer de l'Afrique, donnant naissance à l'océan Indien. Le continent de Gondwana est alors constitué d'un seul bloc avec l'Amérique du Sud et l'Afrique, qui sont unies, rien n'indiquant encore la présence de l'Atlantique Sud. De remarquables séries continentales (généralement des grès et des schistes rouges) se déposent sur ce continent, notamment en Afrique du Sud, à Madagascar et aux Indes. Ces milieux colonisés par les reptiles sont le siège d'une riche flore à Thinnfeldia , qui souligne le réchauffement du climat.

Le continent nord-atlantique et le continent de l'Angara sont toujours unis en une seule masse continentale, rien ne présageant l'ouverture ultérieure de l'Atlantique Nord. L'Angara reste relativement préservé de la transgression marine, et des dépôts continentaux à charbons s'y développent (Sibérie) en continuité de ceux du permien et du trias.
Dans les mers épicontinentales qui bordent ces continents, le climat uniformément chaud favorise le développement des plates-formes carbonatées où s'individualisent de place en place des récifs. Presque toute la France est alors recouverte par la mer où seules émergent une partie du Massif central et du Massif armoricain. Peu profondes, mais très étendues, ces mers ont formé de vastes platiers récifaux où se sont formés les calcaires à entroques, à oolites et à polypiers (Jurassique de Bourgogne, Lorraine, Poitou, Causses...). L'Europe se présente comme un immense archipel.
Des mouvements orogéniques se produisent au cours du jurassique supérieur. Précédée par une importante activité volcanique (andésites), la phase dite andine au kimméridgien (Amérique du Sud) ou névadienne au portlandien (Amérique du Nord et bordure asiatique du Pacifique) marque une étape importante dans la construction des cordillères ouest-américaines. Elle est suivie deuis la phase néocimérienne à la fin du portlandien (Antilles et Indonésie surtout).

Paléontologie
Le jurassique est caractérisé par le développement des dinosaures, des ptérosaures et l'apparition des premiers oiseaux. Dans le domaine marin épicontinental, le benthos se diversifie. Les spongiaires, brachiopodes, lamellibranches, gastéropodes et échinodermes prolifèrent dans les mers chaudes.
Animaux : développement des dinosaures et apparition des premiers oiseaux
La faune d'invertébrés jurassiques est riche. Les polypiers sont tous des hexacoralliaires. Les crinoïdes ont joué un grand rôle en fournissant le matériel des calcaires à entroques. Les oursins sont abondants et variés, ainsi que les bivalves et les gastropodes. Les mollusques céphalopodes (ammonites et bélemnites) connaissent un développement très important. Parmi les brachiopodes, on trouve de nombreuses populations de térébratules et de rhynchonelles. Les poissons sont de plus en plus variés (apparition de poissons osseux). Parmi les amphibiens, on trouve un anoure : palæobatrachus.

C'est l'époque du règne des grands reptiles (qui survivront encore au crétacé). En mer, on trouve les ichtyosaures et les plésiosaures. Sur le continent, les grands dinosauriens font leur apparition (ceratosaurus, megalosaurus, brontosaurus, diplodocus, stegosaurus, etc.). Les dinosaures, qu'ils soient marcheurs ou nageurs, domineront le monde pendant tout le mésozoïque, c'est-à-dire pendant 180 millions d'années. Ils possédaient, comme les mammifères, une régulation thermique et des membres dressés.

Un certain nombre de reptiles commencent à voler (pterodactylus), tandis qu'apparaît le premier oiseau (dont le premier connu est l'archéoptéryx du portlandien de Bavière) à caractères reptiliens très marqués. Les mammifères apparaissent en petit nombre. Dans les mers chaudes, les foraminifères et les algues planctoniques (coccolithophoridées) pullulent. Les rudistes caractérisent les dépôts de récifs.
Végétaux : l'apogée des gymnospermes
Dans le domaine continental, la flore est dominée par des végétaux à ovules (gingko, cycas) et à graines (apogée des gymnospermes, notamment les bennettitales).
Les principaux groupes fossilifères utilisés pour l'établissement des subdivisions stratigraphiques sont, pour la macrofaune, les ammonites et les aptychus (organismes bivalves représentant peut-être des opercules d'ammonites). Parmi la microfaune, on utilise notamment les tintinnoïdiens et les calpionelles.

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géologie

Étude des constituants de la Terre, visant à en comprendre la nature, la distribution, l'histoire et la genèse.


Si les premières observations géologiques remontent à l'Antiquité, le nom de géologie apparaît pour la première fois à la fin du xviie s., dans le titre d'un ouvrage, et ce n'est qu'au xviiie s. que cette science commence véritablement à se développer, dans l'ambiance du siècle des Lumières. On voit bientôt s'opposer les théories antagonistes de l'Allemand Abraham Werner (1749-1817), qui attribue à toutes les roches une origine océanique, et de l'Américain James Hall (1811-1898), qui privilégie l'origine ignée des roches éruptives. Au xixe s., la géologie proprement dite se diversifie en ses différentes branches, tandis que le xxe s. voit son explosion en disciplines nouvelles, avec d'une part son ouverture à la physique et à la chimie, donnant naissance à la géophysique et à la géochimie, et d'autre part les progrès des moyens d'observation qui étendent son champ à l'océanologie et à la planétologie, l'ensemble constituant les géosciences.
1. Objets d'étude et différentes branches de la géologie

La géologie proprement dite comprend diverses branches qui concourent à l'étude de la nature des roches, de leur âge ou de leur structure.
1.1. L’étude de la nature des roches

L'étude de la nature des roches fait l'objet de la pétrographie, ou pétrologie, qui distingue :
– les roches sédimentaires, ou exogènes (calcaires, grès, argiles, etc.), déposées par les agents dynamiques externes (eaux, glaces, vent) et dont la caractéristique principale est d'être stratifiées ;
→ sédimentation
– les roches magmatiques, ou endogènes, issues des profondeurs, généralement cristallines, sous forme d'amas massifs, ou plutons, lorsqu'elles ont cristallisé à l'intérieur de la croûte terrestre (granites, gabbros, péridotites, etc.) ou de volcans et de coulées de laves lorsqu'elles se sont épanchées à la surface (rhyolites, basaltes, etc.) ;

– les roches métamorphiques, de nature endogène ou exogène, mais transformées dans les profondeurs de la croûte terrestre sous haute température et haute pression, ce qui leur confère un aspect de schistes cristallins (micaschistes, gneiss).
1.2. L’étude de l’âge des roches

L'étude de l'âge des roches fait l'objet de la stratigraphie (pour les roches sédimentaires) et de la géochronologie, la première s'appuyant sur la paléontologie, ou science des fossiles, la seconde sur la géochimie isotopique, seule méthode pour les roches endogènes et métamorphiques, méthode complémentaire pour les roches sédimentaires.

La paléontologie (qui permet la stratigraphie par la succession des faunes et flores fossiles dans le temps), est surtout efficace depuis 540 millions d'années (MA), moment de l'explosion biologique fondamentale qui ouvre les temps dits phanérozoïques (du grec phaneros, visible, et zôon, animal). Ceux-ci sont divisés en ères, elles-mêmes divisées en systèmes, eux-mêmes formés d'étages définis par un contenu faunistique et floristique rapporté à une localité type dont l'étage porte le nom.


Apparue il y a quelque 3,8 milliards d'années (traces d’activité d’organismes procaryotes), la vie s’est longtemps limitée au développement de bactéries et de cyanobactéries (dont certaines, coloniales, ont laissé des structures appelées stromatolites). Puis apparaissent les organismes unicellulaires eucaryotes, il y a 1,9 milliard d’années environ, suivis par les premiers pluricellulaires, il y a 670 millions d’années. Les invertébrés prolifèrent, sous toutes leurs formes, à la limite précambrien-primaire, vers 540 MA. Les poissons les plus primitifs apparaissent vers 500 MA, à la limite cambrien-ordovicien, les amphibiens (ou batraciens) vers 360 MA, à la limite dévonien-carbonifère, les reptiles vers 320 MA, au milieu du carbonifère, les mammifères vers 200 MA, au trias, les oiseaux vers 160 MA, au jurassique. Les hominidés n'émergent que vers 4 MA, au cours du pliocène. Parmi les végétaux, les cryptogames partent à la conquête des continents, jusqu'alors déserts, vers 430 MA, au silurien, les gymnospermes apparaissent vers 360 MA, au début du carbonifère, les angiospermes, ou plantes à fleurs (→ phanérogame), vers 100 MA, au crétacé.

Cette succession des faunes et des flores dans l'ordre de la complexité croissante est le support de la théorie de l'évolution formulée à la fin du xviiie s. par le Français Jean-Baptiste Lamarck (1744-1829) – connue aujourd’hui sous le nom de lamarckisme –, puis de celle établie au xixe s. par le Britannique Charles Darwin (1809-1882). Ces successions de faunes ne sont pas régulières : certaines périodes sont marquées par de brutales et vastes vagues d’extinctions ; la plus connue s'est produite à la fin de l'ère secondaire (transition crétacé-tertiaire), vers 65 MA, et vit la disparition totale des dinosaures.

L'établissement du concept d'évolution est l'un des grands chocs spirituels ayant modifié l'idée que l'humanité se fait d'elle-même (aux côtés du concept de révolution de la Terre sur elle-même et autour du Soleil) : non seulement l'homme n'est pas au centre du monde, mais il n'est qu'un maillon parmi d'autres d'une chaîne biologique a priori sans fin.
La géochronologie a donné à la stratigraphie un calendrier précis, outre qu'elle a permis de donner un âge aux terrains cristallins, jusqu'alors datés approximativement par des méthodes indirectes. Elle se fonde essentiellement sur des méthodes géochimiques.
La datation des terrains et l'analyse de leurs faciès débouchent sur la reconstitution des géographies du passé géologique, ou paléogéographie.
L'ensemble de ces disciplines, qui reconstituent l'histoire de la Terre, forme la géologie historique.

1.3. L’étude de la structure des roches

L'étude de la structure des roches fait l'objet de la tectonique, qui décrit les déformations des roches par l'observation de terrain et leur genèse par la tectonique expérimentale et la tectonophysique.

On reconnaît ainsi des formes et accidents tectoniques, cassures ou failles, plis, transports horizontaux ou chevauchements et charriages et des styles tectoniques, selon la profondeur des déformations.
Les chaînes de montagnes qui en résultent forment des ensembles intra- ou intercontinentaux. Les chaînes intracontinentales associent les déformations du socle continental et de sa couverture sédimentaire.
Les chaînes intercontinentales, ou de collision, sont liées au rapprochement des continents jusqu'à leur collision : l'océan intermédiaire se réduit à une cicatrice, ou suture ophiolithique, du nom des roches basiques et ultrabasiques qui formaient la croûte de l'océan disparu – les chaînes alpines de la ceinture montagneuse qui va de Gibraltar à l'Indonésie, entre l'Eurasie d'un côté et l'Afrique, l'Inde et l'Australie de l'autre, par les Alpes et l'Himalaya, en sont un bon exemple.


Les chaînes péricontinentales, ou de subduction, sont dues au passage en force de la lithosphère océanique sous les marges des continents qui les bordent (→ subduction). Elles affectent soit la forme de puissantes cordillères, comme les Andes, limitées à la déformation des marges continentales, soit la forme d'arcs insulaires, comme ceux de l'ouest du Pacifique, lorsqu'une mer marginale s'intercale entre l'arc déformé et le bord continental ; cordillères et arcs insulaires sont riches en roches granitiques et volcaniques (andésites).
Chaînes de collision et de subduction forment les deux grandes ceintures montagneuses volcaniques et sismiques du globe : la ceinture péripacifique, liée à la subduction de l'océan Pacifique (« ceinture de feu », et la ceinture téthysienne, liée à la collision des masses continentales aujourd'hui septentrionales (Amérique du Nord et Eurasie), avec les masses méridionales (Amérique du Sud, Afrique, Inde, Australie), aux dépens de la Téthys, océan aujourd'hui disparu qui séparait ces deux ensembles continentaux.

2. Les nouvelles disciplines

De la rencontre entre la géologie et la physique et la chimie, sont issues la géophysique et la géochimie.
2.1. La géophysique

Fournissant un apport essentiel à la tectonique, la géophysique s'est développée via la gravimétrie, la sismologie et le géomagnétisme.
La gravimétrie

Née au xviiie s., la gravimétrie, en se fondant sur les anomalies de la pesanteur, contribue à définir la forme du globe terrestre, puis l'équilibre des couches superficielles sur les plus profondes, ou isostasie, notamment dans le cas des chaînes de montagnes sous lesquelles existe une racine légère, conçue comme un gonflement de la lithosphère continentale à l'aplomb du relief, sorte d'image en négatif de la chaîne. En affinant la mesure de ces anomalies de pesanteur, on peut déterminer les régions en équilibre isostasique, donc stables, et celles en déséquilibre, qui tendent soit à s'affaisser, soit à se soulever, ayant ainsi une clef de la dynamique du relief.
La sismologie

Ondes sismiques
La sismologie est devenue une science vers la fin du xixe s. et les études sismologiques se sont orientées successivement dans trois directions :
• les tremblements de terre (→ séisme) eux-mêmes (échelle de Mercalli, qualitative ; et échelle de Richter, quantitative) ;
• la détermination de la structure du globe terrestre en croûte, manteau et noyau, séparés par les discontinuités de Gutenberg et de Mohorovičić (→ moho), croûte et manteau supérieur formant la lithosphère, rigide, tandis que le reste du manteau constitue l'asthénosphère, plastique (→ Terre) ;
• la structure de la croûte terrestre et de ses parties superficielles qui, seule, concerne la géologie.

La sismicité générale a permis de définir le mécanisme d'ouverture (accrétion) des rifts médio-océaniques (→ fossé d'effondrement, expansion des fonds océaniques), le jeu des failles transformantes qui segmentent ceux-ci, le plan de subduction, dit plan de Benioff (du nom de son découvreur, le sismologue américain Hugo Benioff [1899-1968]), selon lequel l'océan plonge sous les marges continentales au niveau des arcs insulaires et des cordillères. Ainsi a été fondée la tectonique des plaques.

La sismique appliquée, développée par les compagnies pétrolières (→ pétrole), a conduit à une connaissance détaillée de la croûte terrestre faisant la liaison entre géophysique et géologie. D'abord limitée aux ensembles sédimentaires, objets de la prospection pétrolière, elle s'est étendue à l'épaisseur de la croûte terrestre, par la mise au point de programmes de profils sismiques d'écoute longue, comme les programmes COCORP (COnsortium for Continental Reflection Profiling) aux États-Unis, le premier du genre, ou ÉCORS (Étude des Continents et des Océans par Réflexion Sismique) en France, et d'autres dans différents pays. C'est la tectonique qui a surtout profité de ces développements.
Le géomagnétisme

Dérive des continents
Le géomagnétisme est, avec la gravimétrie, la plus ancienne discipline de la physique du globe, car, comme elle, liée à la géodésie : dès le xviie s. et surtout le xviiie s., les mesures du magnétisme terrestre sont devenues courantes. Mais il a fallu attendre le xxe s. pour qu'elles prennent un sens pour la géologie et qu'elles soient effectuées dans ce but.
Le paléomagnétisme, qui fournit la direction des pôles à un moment donné en un endroit donné, se fonde sur le champ magnétique fossile daté par la stratigraphie ou la géochronologie. Chaque continent, à un moment donné, indiquant une position différente des pôles de celles indiquées par les autres continents, la mobilité relative des uns par rapport aux autres se trouve ainsi démontrée, justifiant la théorie de la dérive des continents de l'Allemand Alfred Wegener (1880-1930), et confortant la tectonique des plaques qui l'intègre dans ses prémisses.

Le relevé d'anomalies magnétiques océaniques parallèles au rift médian, interprétées comme marquant les renversements successifs de la polarité du champ magnétique terrestre pendant la genèse progressive de la croûte océanique, donne une mesure quantifiée de celle-ci, dont l'ordre de grandeur est le centimètre par an, de 2 cm/an pour les rifts lents jusqu'à plus de 10 cm/an pour les rifts rapides. Ainsi se trouve mesurée l'expansion océanique et une nouvelle fois confortée la tectonique des plaques.
À la paléogéographie succède ainsi la palinspatie, qui tient compte du déplacement des continents et devient globale, justifiant que la tectonique des plaques soit aussi désignée sous le nom de tectonique globale.

2.2. La géochimie


La géochimie a renouvelé la pétrologie par l'analyse précise et quantifiée de la composition des roches et de chacun de leurs minéraux majeurs. Mais c'est par l'analyse des éléments mineurs et de leurs composants isotopiques qu'elle a apporté une véritable révolution.
En s'appuyant sur la période de désintégration des éléments radioactifs, elle a permis la mesure de la durée des temps géologiques, dont l'unité est le million d'années : tous les chiffres rappelés dans le tableau stratigraphique se fondent sur cette géochronologie isotopique qui utilise les couples uranium/plomb, potassium/argon, rubidium/strontium, etc., pour les temps géologiques anciens, le fluor et le carbone 14 pour les périodes récentes aux limites de l'histoire et de la préhistoire.

Après la paléontologie, qui a fondé la notion d'évolution biologique, la géochronologie est à la source de la deuxième grande révolution apportée par les géosciences dans la pensée humaine : désormais, l'histoire de la Terre a un début et un calendrier dans lequel l'évolution biologique, notamment celle de l'homme, prend sa place.

En s'appuyant sur la composition isotopique des roches, la géochimie a permis de préciser les conditions de leur formation, notamment la température à laquelle elles sont apparues. Ainsi ont été définis des paléothermomètres, comme le couple oxygène 16/oxygène 18, qui permet de dire à quelle température se sont déposés les sédiments, fournissant une clef à la paléoclimatologie : les périodes froides sont caractérisées par un enrichissement en oxygène 18, isotope lourd moins volatil, au contraire des périodes chaudes, caractérisées par un enrichissement en isotope léger oxygène 16.
Par l'ensemble de ces approches, la géologie dynamique, ou géodynamique, a été complètement renouvelée.

3. Les nouvelles approches

Dans les dernières décennies, les progrès de l'océanographie et de la recherche spatiale ont donné à la géologie une dimension qui englobe les océans tout autant que les continents et dépasse même les limites du globe terrestre pour s'étendre aux autres planètes du Système solaire et à leurs satellites.

3.1. L'océanologie géologique

Source hydrothermale océanique
Apparue au xixe s., l'océanologie géologique a donné des océans une connaissance précise qui a renouvelé l'interprétation des terrains du passé géologique, en s'appuyant sur toutes les méthodes de la géologie, de la géophysique et de la géochimie et, à la fin du xxe s., en utilisant des moyens performants comme le sondeur multifaisceaux (fondé sur le principe du sonar), pour le dessin des cartes du fond des océans, les forages océaniques profonds, pour recueillir des éléments de la croûte océanique et de sa couverture sédimentaire, et les submersibles autonomes (→ bathyscaphe), capables de descendre à 6 000 m de profondeur, pour effectuer des observations et recueillir des échantillons, etc.

Le principe de l'uniformitarisme, suivant lequel le globe a évolué selon les mêmes modalités qu'aujourd'hui, énoncé dès 1830 par le Britannique Charles Lyell (1797-1875), y a trouvé sa convaincante illustration, du moins pour ce qui concerne les temps phanérozoïques.

3.2. La planétologie

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Curiosity sur MarsCuriosity sur Mars
La planétologie (→ planète) s'est développée en s'appuyant sur des télescopes de plus en plus performants et sur les sondes spatiales. Elle autorise une étude comparée des planètes et de leurs satellites, l'événement le plus spectaculaire ayant été la récolte de roches lunaires, des basaltes identiques à ceux que l'on rencontre sur la Terre et de même âge que les plus anciens : la Lune a le même âge et la même origine que notre planète.
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Dépôts sédimentaires sur Mars
Dépôts sédimentaires sur Mars
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Dépôts sédimentaires sur Mars
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Mimas, satellite naturel de Saturne
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Encelade, satellite naturel de Saturne
Nombre de traits géologiques terrestres ont été reconnus sur les planètes telluriques et les satellites des planètes géantes ; outre les impacts météoritiques mieux conservés que sur la Terre, où l'érosion les a le plus souvent effacés, on a reconnu des traces d'érosion fluviale, des plis et failles, des calottes glaciaires (sur Mars) ; des carapaces de glace déformées (sur Callisto, Europe et Ganymède, satellites de Jupiter) ; des volcans éteints (sur Vénus et Mars) ou en activité (sur Io, satellite de Jupiter), etc. Ces observations sont l'amorce d'une géologie des planètes qui n'en est qu'à ses débuts.

3.3. La télédétection

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Vue satellite de la terreVue satellite de la terre
L'observation de la Terre par satellite dans le visible ou dans certaines bandes du spectre infrarouge autorise une cartographie précise, révélant des structures de grande dimension que la synthèse des observations de terrain ne permet pas toujours de mettre en évidence.

3.4. L'océanologie spatiale

Les mesures effectuées au-dessus des océans par des satellites équipés d'altimètres radar donnent des résultats de premier plan pour l'étude des courants ou des grands déplacements de la masse océanique, comme le phénomène El Niño, mais aussi dans le domaine de la géologie : moyennant diverses corrections, l'altimétrie de la surface des océans – connue au centimètre près – révèle la forme du fond et les accidents tectoniques qui l'affectent : on a pu ainsi dresser des cartes des fonds océaniques, qui vérifient les prédictions de la tectonique des plaques, fournissant donc de cette théorie une autre démonstration.

3.5. La géodésie spatiale

Des satellites géodésiques ont permis de mesurer avec une précision centimétrique les déplacements des objets géologiques à la surface de la Terre et de retrouver ainsi, par une autre méthode, les données de la tectonique des plaques, mais cette fois chiffrées en temps réel.

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faille de San Andreasfaille de San Andreas
On passe ainsi de la géodynamique moyennée sur des millions d'années à la géodynamique mesurée sur une année. Le résultat le plus spectaculaire est que les valeurs obtenues par ces deux approches sont identiques : par exemple, moyenné sur 5 millions d'années ou mesuré sur une année, le coulissage du complexe de failles de San Andreas, en Californie, est de 5 cm par an.
On peut dès lors envisager de prédire le futur : à long terme, par exemple quand l'axe égéen, qui s'avance vers le sud à la cadence de 4 cm par an, viendra recouvrir la Libye en fermant la mer du Levant, etc. ; ou, à court terme, en particulier pour la prévision des séismes.

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GÉOMAGNÉTISME

Ensemble des phénomènes magnétiques liés au globe terrestre. (Synonyme : magnétisme terrestre.)


Le champ magnétique terrestre, en changement permanent, est créé par les mouvements du magma à l’intérieur du noyau terrestre et forme une enveloppe qui protège la Terre du vent solaire (particules très énergétiques émises par le Soleil). Il est également appelé champ géomagnétique.

1. Observation du champ magnétique terrestre


La découverte, au cours du xie siècle, qu’une aiguille aimantée indique la direction du nord ouvre la voie à l’étude des propriétés magnétiques de ce gigantesque aimant qu’est le globe terrestre. La première application de ce phénomène est l’utilisation de boussoles pour s’orienter à la surface du globe. En effet, une boussole indique la direction des pôles magnétiques, qui ne correspondent pas aux pôles géographiques. Par exemple, le pôle nord magnétique est actuellement situé dans le nord du Canada, à plus de 1 500 km du pôle Nord géographique.

Une autre façon d’observer le champ magnétique terrestre consiste à observer les aurores polaires (phénomène lumineux spectaculaire dû aux collisions entre des particules très énergétiques provenant du Soleil et les molécules de gaz de l’atmosphère). Les aurores polaires se produisent aux pôles (Sud et Nord), où elles prennent la forme de vagues colorées qui suivent les lignes du champ magnétique terrestre.

2. Origine du champ magnétique terrestre

Le champ magnétique terrestre a pour origine les mouvements du magma (roches en fusion) situé en profondeur. Il n’est pas dû au fer qui compose le noyau, puisque le fer ne se comporte plus comme un aimant à la température où il se trouve au centre de la Terre (de l’ordre de 6 000 °C). Le magnétisme est provoqué par le mouvement du magma métallique dans le noyau externe liquide (d’environ 2 200 km d’épaisseur) qui tourne autour du noyau interne solide (de 1 300 km de rayon). Ces mouvements font que le globe terrestre se comporte comme si un énorme aimant droit était placé en son centre.

Le champ magnétique des autres planètes

les planètes du Système solaire
D’autres planètes du Système solaire possèdent également un champ magnétique, comme les planètes géantes (Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune). Le champ magnétique terrestre est le plus puissant actuellement des planètes telluriques, puisque la Terre est la plus grosse d’entre elles et son noyau ne s’est toujours pas refroidi. Seule la planète Vénus ne possède pas de champ magnétique.

3. Caractéristiques du champ magnétique terrestre

L’intensité du champ magnétique (exprimée en teslas, de symbole T) varie en fonction de l’endroit où l’on se trouve à la surface de la Terre. Elle est plus faible à l’équateur (environ 3×10-5 T) qu’au niveau des pôles (environ 6×10-5 T). Son intensité moyenne, mesurée à l’aide d’un magnétomètre, est de 5×10-5 T.


Le champ magnétique terrestre est bipolaire, puisqu’il existe un pôle nord et un pôle sud magnétiques. Le pôle nord magnétique est actuellement situé dans le nord du Canada, à plus de 1 500 km du pôle Nord géographique. Le pôle sud magnétique est quant à lui situé au large de la terre Adélie. L’axe géomagnétique (qui passe par les deux pôles magnétiques) fait un angle de 11,5° par rapport à l’axe de rotation de la Terre. La différence angulaire entre le nord magnétique et le nord géographique est appelée déclinaison magnétique. Sa valeur varie en fonction du lieu où l’on se situe à la surface du globe.
Par convention, on appelle « pôle nord magnétique » l'endroit où sort le champ magnétique et « pôle sud magnétique » celui où entre le champ magnétique. Les scientifiques ont déterminé que le champ magnétique terrestre pointe vers le bas dans l’hémisphère Nord et vers le haut dans l’hémisphère Sud. Par conséquent, le pôle nord magnétique situé dans l’Arctique canadien est en réalité le pôle sud magnétique. Toutefois, par tradition, et parce qu’il est situé au nord géographique, on l’appelle pôle nord magnétique.

4. Évolution du champ magnétique terrestre

Depuis le xviie s., on sait que le champ magnétique terrestre varie avec le temps. Constructeurs d'instruments et physiciens ont cherché à déterminer si ces variations se produisent de façon régulière, journalière, annuelle ou sur de plus longues périodes. Mais le champ magnétique terrestre évolue de manière complexe. Ses variations sont aujourd'hui enregistrées en permanence dans plus de deux cents « observatoires magnétiques » répartis à la surface du globe.

4.1. Paléomagnétisme


Le champ magnétique terrestre a beaucoup changé au cours des temps géologiques et il change encore aujourd’hui. Il y a 500 millions d’années, le pôle nord magnétique était proche de l’île d’Hawaii dans l’océan Pacifique alors qu’il est aujourd’hui situé dans le nord du Canada. En fait, la position des pôles magnétiques bouge en permanence, en fonction des variations du champ magnétique terrestre ; la position de chaque pôle varie de plusieurs dizaines de kilomètres autour d’une position moyenne journalière. L’étude des variations du champ géomagnétique sur de grandes échelles de temps (→ paléomagnétisme) est réalisée grâce aux roches magmatiques qui conservent la trace du champ magnétique terrestre du passé.

4.2. Inversions du champ magnétique terrestre

Le champ magnétique terrestre s’est souvent inversé dans le passé. Autrement dit, le pôle nord magnétique est passé au sud magnétique, et inversement. Les géologues estiment qu’il y a eu plus de 300 inversions depuis 200 millions d’années. À chaque inversion, le champ magnétique terrestre faiblit avant de s’inverser, entraînant une diminution de l’intensité du bouclier magnétique. La dernière inversion, dite inversion Brunhes-Matuyama, remonte à 780 000 ans. La connaissance de ces inversions a eu une grande influence sur les théories de la tectonique des plaques et de la dérive des continents qui expliquent la formation des montagnes, des volcans et des tremblements de terre.

4.3. Évolution actuelle et future du champ magnétique terrestre

Depuis la fin du xxe siècle, le pôle nord magnétique se rapproche du pôle Nord géographique à une vitesse de l’ordre de 40 km par an. Par ailleurs, l’intensité du champ magnétique terrestre a diminué de 10 % depuis quelques centaines d’années. Est-ce le signe d’une prochaine inversion ou simplement le résultat d’une perturbation ? Les scientifiques ne peuvent conclure ni déduire le moment de la prochaine inversion. Leurs modèles ne leur permettent pour l’instant d’estimer les variations du champ magnétique qu’à l’horizon de cinq ans.

5. Rôle du champ magnétique terrestre


Le champ magnétique terrestre se fait ressentir jusqu’à une très haute altitude, dans une région appelée magnétosphère (altitude supérieure à 1 000 km). La magnétosphère protège la Terre des rayons cosmiques et des particules très énergétiques émises par le Soleil (vent solaire) en orientant ces rayonnements le long des lignes du champ magnétique terrestre. L’arrêt de ces particules hautement nocives pour toutes formes de vie sur Terre est plus efficace à l’équateur qu’au niveau des pôles, comme en témoigne l’existence des aurores polaires. Le champ géomagnétique sert donc de bouclier naturel à la Terre.

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