genie civil et geotechnique

Introduction :

   Stratigraphie, branche de la géologie qui étudie les roches sous forme de couches ou strates. Traitant principalement des roches sédimentaires, ce domaine s'est étendu à tous types de roches et à leurs relations, notamment chronologiques, les unes avec les autres.

   Il s'agit d'une approche intégrée, en ce que des résultats apportés par la géochimie, la paléontologie, la pétrographie, l'astronomie... sont réunis et exploités à travers différentes méthodes : biostratigraphie, chimiostratigraphie, lithostratigraphie, magnétostratigraphie... Ces méthodes, développées de façon relativement indépendante, sont ensuite réinvesties dans des approches plus généralistes :

·       la chronostratigraphie cherche à établir une échelle des temps géologiques aussi précise et fiable que possible en organisant les données élémentaires que constituent les « unités chronostratigraphiques » ;

·       la stratigraphie séquentielle, exploitant la sismique réflexion, cherche à éclairer l'organisation relative des corps sédimentaires en liaison avec les variations cycliques du niveau marin à l'échelle régionale ;

·       la stratigraphie génétique cherche à dégager des modèles sédimentologiques généraux pour effectuer des prévisions en sous-sol, en l'absence de données complètes (forages ponctuels).

Historique :

   La discipline a été fondée en Angleterre par William Smith, qui réalisa la première carte géologique d'Angleterre (1815) et en France par Georges Cuvier et Alexandre Brongniart. Deux principes fondamentaux fondent la stratigraphie. Le premier, le principe de superposition des couches, déclare simplement que dans une succession de roches sédimentaires qui n'ont pas été trop perturbées, les couches supérieures sont les plus jeunes. Cela permet d'apprécier les conditions de changement dans le temps. Le second, affirmant que les lits des roches sont caractérisés par leur contenu fossile, permet de suivre les strates d'un affleurement à l'autre, l'âge d'une strate étant le même sur toute son étendue : c'est le principe de continuité. L'observation de l'évolution des formes de vie à travers des séquences de roche a amené au développement, tout au long du XIX^e siècle, de l'échelle stratigraphique, tableau basé sur la succession des strates au cours des temps géologiques.

   L'établissement de séries stratigraphiques sédimentaires permet de reconstruire les géographies du passé. En intégrant à cette étude les roches magmatiques et métamorphiques associées, le domaine de la stratigraphie s'élargit et devient synonyme de l'histoire de la Terre, telle qu'elle est enregistrée dans les roches.

Les grands principes :

   Les principes de la stratigraphie sont en nombre variable selon les auteurs. Ces principes sont d'une part des postulats, qu'il faut vérifier par l'observation, et d'autre part des relations géométriques entre les formations géologiques étudiées. Les deux principes qui semblent unanimement acceptés sont le principe de continuité et le principe de superposition.

Les principes généraux :

·       Le principe de continuité : une même couche a le même âge sur toute son étendue.

·       Le principe d'uniformitarisme : les structures géologiques passées ont été formées par des phénomènes (tectoniques, magmatiques, sédimentaires ou autres) agissant comme à notre époque.

·       Le principe d'identité paléontologique : deux couches ayant les mêmes fossiles sont considérées comme ayant le même âge. Ce principe n'est pas lié aux rapports géométriques entre les couches, mais à la paléontologie ; il se base sur l'existence de fossiles stratigraphiques. Il permet de corréler des séries sédimentaires de régions éloignées.

Les principes précédents souffrent de nombreux contre-exemples (cf. infra) et doivent être validés par l'observation de la situation étudiée. Ils sont néanmoins des points de départ utilisés par tous les géologues dans une situation inconnue.

Les relations géométriques entre couches :

·       Le principe de superposition : en l'absence de bouleversements structuraux, une couche est plus récente que celle qu'elle recouvre et plus ancienne que celle qui la recouvre. C'est le principe le plus ancien en géologie, il a été formulé dès le XVIIe siècle par Nicolas Stenon.

·       Le principe d'horizontalité : les couches sédimentaires se déposent horizontalement ; une séquence sédimentaire qui n'est pas en position horizontale a subi des déformations postérieures à son dépôt.

·       Le principe de recoupement : les couches sédimentaires sont plus anciennes que les failles ou les roches qui les recoupent.

·       Le principe d'inclusion : les morceaux de roche inclus dans une autre couche sont plus anciens que leur contenant.

Exceptions aux principes :

   Pour chacun de ces principes on peut trouver des exceptions. Ces exceptions dépendent du mode de sédimentation et de l'échelle à laquelle on les observe :

·       les nappes alluviales les plus récentes peuvent être déposées après l'encaissement de la vallée et être plus basses que les alluvions antérieures (néanmoins, les alluvions récentes ne sont pas recouvertes par les plus anciennes).

·       les dépôts fluviatiles et deltaïques ne se déposent pas horizontalement, mais en sédimentation oblique.

·       les sédimentations bio-construites ne sont pas obligatoirement horizontales (un récif corallien n'est pas horizontal par exemple).

·       etc.

Discordance :

   Lorsqu'il y a interruption de la sédimentation, suivie d'une déformation (failles, basculement ou plissement) et d'une érosion, il y a discordance entre les couches (ou strates) les plus anciennes déformées et celles plus récentes, horizontales. Il existe aussi des discordances sédimentaires. Elles sont le résultat d'un changement du milieu de dépôt. Ce changement est provoqué par une variation du niveau marin.

   Une discordance angulaire existe entre deux couches superposées dont les pendages sont différents de part et d'autre de la surface de discordance. La série inférieure de strates a alors subi des déformations (basculement dans le cas d'une série monoclinale, plissement dans le cas d'un synclinal ou d'un anticlinal: dans ce cas c'est une discordance angulaire sur structure plissée).

Certaines couches concordantes en un point, peuvent progressivement devenir discordantes : c'est une discordance progressive.

Lacune :

   Lorsqu'il n'y a pas de continuité chronologique entre deux couches, on parle de lacune. Il y a deux types de lacunes :

·       Lacune d'érosion : l'érosion a enlevé des couches, puis la sédimentation a repris en laissant la lacune.

·       Lacune de sédimentation : pendant la période correspondant à la durée de la lacune, la sédimentation s'est interrompue. Cela peut être dû à une régression marine.

La stratigraphie en archéologie :

   On utilise les mêmes principes dans le domaine de l'archéologie, les différentes couches permettant une datation du site fouillé sont le résultat de l'accumulation naturelle de sédiments, d'apports humains, de couche de destruction ou d'incendie. Une coupe stratigraphique permet de mettre en évidence, par leur différence de couleur et de texture, les différentes couches présentes sur le site et de procéder à la datation relative des objets contenus dans ces couches.

La chronostratigraphique :

   La chronostratigraphie est une branche de la stratigraphie dont l'objet est l'étude de l'âge des couches de roches en relation au temps.

   La chronostratigraphie a recours à des unités particulières de résolution temporelle plus ou moins précise :

·       des éons (ex. le Phanérozoïque)

·       des ères (ex. le Paléozoïque) ;

·       des systèmes (ex. l'Ordovicien) ;

·       des séries (ex. l'Ordovicien supérieur) ;

·       des étages (ex. l'Ashgillien)

   Ces unités chronostratigraphiques permettent de classer les roches extraites des carrières, des affleurements, aux abords des volcans, etc.              

   Ce découpage de l'échelle des temps géologiques basé sur l'étude des roches est une condition préalable à toute reconstruction paléogéographique.

Hypothèse :

   Depuis l'apparition de la vie l'échelle de temps est impressionnante. Pourquoi ne pas imaginer qu'il n'y aurait pas eu qu'une seule "humanité" ou même une seule Civilisation ?
La disparition totale des dinosaures est là pour nous prouver qu'une extinction globale au niveau planétaire est possible. Pourquoi ne pas imaginer qu'il y aurait eu des hominidés avant cette extinction ?

   Après cette destruction massive, la vie aurait repris sa lente mais inexorable marche en avant, non pas à partir de zéro mais à partir des quelques espèces survivantes bien identifiées par nos scientifiques.

   De la même manière, nous avons des traces de civilisations antérieures qui ont complètement disparu, par exemple à Nazca, à Nan Madol, au Zimbabwe. Et si l'Atlantide n'était pas qu'un mythe ?

Avant l'apparition de l'écriture, il y avait la tradition orale qui depuis le fond des âges nous rapporte des faits imagés et souvent convergents.
   Or, de récentes découvertes ont corroboré certaines de ces légendes, ce qui tend à prouver qu'elles méritent une attention particulière, la découverte de Troie en est un exemple.

   La principale objection à cette hypothèse réside dans le fait que, "paraît-il", nous ne trouvons aucune trace d’objet manufacturé antérieur à notre Civilisation qui pourrait nous mener à une autre théorie.

   En fait des traces il y en a, peu, mais elles existent ! Peut-être pas comme l'on s'y attendrait, on ne trouvera sans doute jamais d'automobiles ou de bouteilles de soda.

Les fossiles stratigraphiques :

   Un fossile stratigraphique est un fossile caractéristique d'une époque géologique délimitée dans le temps. En stratigraphie de terrain, il permet de dater aisément les couches dans laquelle il se trouve.

   Pour être qualifiée de fossile stratigraphique, une espèce doit :

·       avoir eu une grande extension géographique (ce qui permet d'établir des corrélations à plusieurs endroits éloignés du globe) ;

·       avoir existé pendant une courte durée à l'échelle des temps géologiques (de façon à avoir une bonne « résolution » stratigraphique en délimitant des périodes de temps courtes, donc des couches de terrain de faible épaisseur) ;

·       avoir été abondante (une condition nécessaire pour qu'on en retrouve suffisamment à l'état fossile).

   Autrement dit une espèce animale (en général) ou végétale (rarement) est un bon fossile stratigraphique si elle est ubiquiste (présente dans de nombreux environnements), à évolution rapide, et d'assez petite taille pour bien se conserver et être ainsi identifiable. Les fossiles ne présentant pas ces caractères sont dits « panchroniques » et n'interviennent généralement pas en biostratigraphie.

   En général, les groupes donnant de bons fossiles stratigraphiques sont ceux ayant connu une forte radiation (création d'un grand nombre d'espèces en peu de temps, typiquement, pendant une période) s'étant maintenue sur une courte période de temps.

   Ainsi, les Dinosaures sont de très mauvais fossiles stratigraphiques : ils sont rares, souvent réduits à quelques fragments difficilement différentiables de ceux des autres Vertébrés, et ils sont en général présents dans des zones bioclimatiques réduites en milieux continental. À l'inverse, les Foraminifères sont un des meilleurs fossile stratigraphique : ils vivent dans de larges zones bioclimatiques, ils sont connus dans tous les environnements marins où ils sont souvent abondants et leur petite taille (moins du millimètre en général) fait qu'ils sont très bien conservés dans les sédiments. Leur évolution et leur diversité à certaines périodes de l'histoire de la Terre permettent des datations précises

La datation relative :

   La datation relative regroupe l'ensemble des méthodes de datation permettant d'ordonner chronologiquement des événements géologiques ou biologiques, les uns par rapport aux autres.

Les principes géométriques :

   La succession des phénomènes géologiques entraîne des modifications des roches et des paysages qui peuvent échapper à l'observation directe. Néanmoins, l'ensemble rocheux en conserve des traces qu'il est possible d'interprêter, en partant du principe que les lois physico-chimiques n'ont pas changé (principe d'actualisme). Cette reconstitution repose sur trois principes.

Le principe de superposition :

   Les dernières échelles publiées intègrent notamment les magnétochrones (inversions du champ magnétique terrestre) et comportent 5 à 6 niveaux et sous-niveaux normalisés. D'anciennes nomenclatures, notamment celles des ères Primaire, Secondaire, Tertiaire et Quaternaire, ont ainsi été abandonnées au profit de subdivisions plus précises et rigoureuses. Les échelles présentées dans cet article sont basées sur les publications de la commission internationale de stratigraphie.

   L'échelle des temps géologiques débute généralement avec l'âge estimé de la Terre, soit plus de 4,5 milliards d'années.

Echelle des temps géologiques :

   L’histoire géologique du globe s’inscrit dans quatre grandes catégories de roches, résultant chacune d’un type d’activité différent : l’érosion et la sédimentation donnent naissance à des couches successives de roches sédimentaires ; la roche en fusion, qui remonte des chambres magmatiques profondes, s’épanche et se refroidit à la surface du globe où elle fournit des témoignages de l’activité volcanique ; les structures géologiques formées à partir de roches préexistantes apportent la preuve des déformations antérieures ; des témoignages du plutonisme, c’est-à-dire de l’activité magmatique en cours dans les profondeurs de la Terre, sont fournis par l’étude des roches granitiques et métamorphiques profondes. Un tableau chronologique des événements géologiques passés peut être établi grâce à diverses techniques radiométriques et par les méthodes de la chronologie relative.

   Les divisions de l’échelle des temps géologiques qui en résultent sont fondées tout d’abord sur les modifications observées dans les formes fossiles d’une strate à l’autre. La majeure partie, cependant (les cinq-sixièmes environ), des quatre à six milliards d’années qu’a duré l’histoire de la Terre, est enregistrée dans des roches qui ne contiennent pratiquement pas de fossiles. Des témoignages fossiles permettant d’établir des corrélations stratigraphiques pertinentes n’existent que pour les 600 derniers millions d’années, à partir des dépôts du cambrien inférieur. Les spécialistes distinguent donc deux grandes périodes dans l’histoire de la planète : le cryptozoïque (vie cachée), ou précambrien, et le phanérozoïque (vie apparente), qui regroupe l’ensemble des temps géologiques depuis le début du paléozoïque (ère primaire).

   Les différences fondamentales apparaissant dans les séries fossiles des roches phanérozoïques d’âge ancien, moyen ou récent, ont permis de distinguer trois grandes ères : le paléozoïque (vie ancienne), le mésozoïque (vie moyenne) ou Secondaire, et le cénozoïque (vie récente). Les principales subdivisions à l’intérieur de chaque ère définissent les périodes géologiques, durant lesquelles les roches de systèmes correspondants ont été déposées sur l’ensemble du globe. Ces périodes sont généralement désignées d’après les régions où les roches de la période considérée ont été trouvées ; par exemple, le Permien est nommé d’après la province de Perm, en Russie. Certaines périodes portent le nom de dépôts spécifiques, comme la période carbonifère, riche en dépôts de charbon ou de peuples anciens, comme l’ordovicien et le silurien, qui sont deux peuples de l’Angleterre et du pays de Galles antiques. Le tertiaire et le quaternaire, qui forment le cénozoïque, sont, de plus, divisés en époques et en âges, du paléocène à l’holocène, ou à des époques plus récentes encore. À ces divisions chronologiques correspondent des divisions stratigraphiques : le système (équivalent géochronologique : la période), la série (équivalent géochronologique : l’époque) et l’étage (équivalent géochronologique : l’âge).

   La découverte de la radioactivité a permis aux géologues du XX^e siècle de concevoir de nouvelles méthodes de datation et de donner ainsi des âges absolus, en millions d’années, aux divisions de l’échelle des temps géologiques. Vous trouverez ci-dessous un aperçu des différentes périodes et des formes de vie qui leur correspondent. Au précambrien, la grande pauvreté des vestiges fossiles ne permet pas de définir des périodes aussi nettes.

En millions d’années