L'échelle
stratigraphique est maintenant universellement reconnue, le tableau
2 présente le nom de chaque unité de temps. La seule
exception porte sur le Carbonifère nommé en premier en Grande-Bretagne
après la découverte des immenses gisements de charbon. Toutefois
il ny a que la moitié haute de cette période qui contient
du charbon. Sa partie basse étant composée de limons marins, lUSGS,
en 1953, a redivisé le système en Mississippien et Pennsylvanien.
Mais cette terminologie nest répandue quen Amérique
et non en Europe.
Léchelle
chronostratigraphique est une récapitulation de toutes les connaissances
stratigraphiques, ainsi il ny a pas une section de falaise
ou de carrière sur la Terre qui échappe aux unités. Cest
la base de toutes les cartes géologiques et de leurs dérivés.
Constituant une partie si importante des études en géologie, lélaboration
de l'échelle stratigraphique au cours
des 18e et 19e siècles a suivi les idées
et louverture des perspectives géologiques sur lâge
de la Terre.
Ce
cours dhistoire de la géologie approchera cela de deux manières.
Tout
dabord de manière relative en étudiant les idées du temps
comparatif, se servant pour cela des cinq grands principes utilisés
en stratigraphie.
- Le
principe de superposition.
- Le
principe duniformitarisme
- Le
principe de la succession de la faune (identité paléontologique).
- Le
principe de recoupement/.
- Le
principe dinclusion.
Il
sera ensuite étudié lhistoire de lusage du temps absolu
en géologie.
Cette
seconde partie sera achevée par le débat sur lâge de la
Terre se servir des calculs de larchevêque Ussher
et de la Bible puis de Lord Kelvin, la découverte de
la radioactivité et ses applications à ce débat par Ernest
Rutherford. De là, on abordera lusage et les limites des
demi-vies des éléments radioactifs.
LES
PRINCIPES
Les
principes de la stratigraphie sont employés par la plupart des
scientifiques concernés.
- Le
principe de superposition
Un
aperçu du travail de Steno (1638 1687).
Steno
est né à Copenhague comme Neils Steensen. Il y a étudié la médecine
et lanatomie ainsi quà Paris. Il voyagea un peu partout
et finalement devint le physicien de la cour du grand duc Ferdinand
II à Florence.
Ses
observations se sont basées sur la comparaison entre des dents
de requin contemporaines et fossiles. Il a travaillé dans les
montagnes de la Toscane et sest rendu compte que les sédiments
sétaient déposés dans un océan primitif.
Il
exposa ses idées sur les rapports entre les strates dans De
solido intra solidum naturaliter contento dissertationis prodomus
(1669).
" Lors
de la formation de chacune des couches, la matière la recouvrant
était liquide, par conséquent, quand la plus basse couche
sest déposée, aucune couche supérieure nexistait
encore.
Quand
chaque couche sest formée, sa face inférieure et celle
de ses côtés, correspondaient à lintérieur et aux côtés
du corps.
...
les couches qui sont, soit perpendiculaires, soit inclinées
par rapport à lhorizontal, en ont été parallèles dans
un autre temps".
De
ces observations nous obtenons le principe de superposition, schématiquement,
ce qui se trouve sur le dessus est le plus jeune.

Figure
2 Quel est le dépôt le plus jeune dans ce diagramme ?
- Le
principe de luniformitarisme
Le
travail de James Hutton
James
Hutton est né à Edinbourgh en Écosse où il a étudié le droit puis
la chimie et la médecine à luniversité. James Hutton ne
pratiqua jamais la médecine, au lieu de cela il étudia les techniques
de polyculture perfectionnée dans le Norfolk en Angleterre. Là,
de nouvelles idées scientifiques sur lagriculture était
développées au long des clôtures des champs.
Une
expérience de première main du cycle des récoltes et lamélioration
du transport par route a permis a Hutton de ramener ses idées
à Berwickshire en Écosse et de les appliquer aux terres dont il
avait hérité. Cest à partir de cette époque du Norfolk que
lon peut voir lintérêt de Hutton pour les pierres
et les mineraux. Ses idées en géologie ont évolué et se sont épanouies
après quil fut parti pour Edinbourg, mais ce temps passé
dans le Norfolk et à Berwickshire est important dans son cheminement
et son observation des structures et sections géologiques. Il
se rendit compte que lérosion marine quil voyait à
luvre sur les côtes dAngleterre et dÉcosse
et les intrusions de granit dans les autres roches appelaient
une explication et que le temps quil avait fallu pour que
ce phénomène se produise devait être plus long que les 6 000
ans admis à lépoque comme étant lâge de la Terre.
Hutton croyait en lobservation suivie de la théorie et lexplication.
Les observations quil a faites sur lîle dArran
en 1787 et à Siccar Point (voir
figure 3) en 1788 sont connues
dans le monde entier. Il nous a laissé laxiome : " Le
présent est la clef du passé. "
À
partir de ses observations, il développa lidée des inconformités
(comme montré dans la figure
3)
qui nécessitaient une immense quantité de temps pour qu'elles
se produisent. Le procédé impliqué dans leur formation c'est-à-dire
leur dépôt, suivi dune surrection, d'un plissement, puis
de l'érosion, un affaissement et un dépôt en plus, devaient prendre
du temps et les observations de Hutton lui indiquaient que 6 000
années nétaient pas assez longues pour que ceci se produise.
Comme
il le disait lui-même : " Lobjet de cet exposé
est de faire une estimation avec respect pour le temps depuis
lequel le globe terrestre existe en tant que monde nourrissant
plantes et animaux... Les parties solides du terrain actuel apparaissent,
en général, être issues de la production de la mer... En conséquence
nous sommes fondés à conclure...deuxièmement. Que, avant que le
terrain actuel soit tel quil est, subsistait un monde fait
de mer et de terre dans lequel il y avait des marées et des courants,
et une activité intense au fond de la mer pour obtenir ce quil
y a maintenant. Et : Pour finir, pendant que le terrain
actuel était en formation au fond des mers, les terres formées
entretenaient plantes et animaux, la mer abritait des animaux,
de la même manière quaujourdhui. "
Résumé
dun exposé, 1785.
"
Cette Terre, comme le corps dun animal est abîmée en même
temps quelle se répare. Il y a une phase daccroissement
et dexpansion, il y a une autre phase qui est celle
du rétrécissement et du déclin "... " Nous
ne trouvons ni de traces dun début ni de perspective pour
une fin. "
Théorie
de la Terre, 1795.
Les
idées de Hutton furent publiées à une époque où troubles politiques
et controverses étaient redoutés. Il avait aussi un style décriture
difficile. Sa " Théorie de la Terre " sélevait
à 1 204 pages. Six chapitres supplémentaires furent trouvés
un siècle plus tard.
Tout
ceci conduisit à ce que ses idées initiales soient rejetées par
beaucoup. Ainsi que le déclare Humphrey Davy (1805) : " Le
docteur Hutton est obscur, et troublé par la multitude des faits
qui assaillent son esprit. " Cependant, son ami de longue
date, John Playfair, traduisit ses idées en anglais lisible en
1802 sous le titre de " Illustrations de la Théorie
huttonienne ", ceci cinq ans après sa mort.
Pour
résumer, la géologie huttonienne sappuie sur le concept
de la continuité des processus naturels se déroulant sur des longueurs
de temps qui sont infiniment grandes par rapport au court temps
de la vie humaine.
Laffaissement
et lérosion du sol créent des sédiments qui sont entraînés
par leau dans la mer. La chaleur interne de la Terre les
transforme en roches.

Figure
3 Siccar Point
- Le
principe de succession de la faune (identité paléontologique)
Les
travaux du baron Georges Cuvier (1769 1832) et de William
Smith (1769 1839).
Le
baron Georges Cuvier est né à Montbéliard en 1769 dans ce qui
était à lépoque le duché du Wurttemberg et devint lAllemagne
au siècle suivant. Cependant, suite à la Révolution française,
Montbéliard fut annexée par les Français et Cuvier devint Français.
Il suivit ses études à Stuttgart où il reçut une large éducation
et devint parfaitement à laise en allemand. Cela lui fut
fort utile plus tard quand il vint à Paris comme quelques-uns
de ses collègues, il pouvait indifféremment parler en français
ou en allemand. À cette époque le français était la langue dominante,
comme lest langlais aujourdhui. Cela lui permis
de souvrir à la littérature scientifique de lensemble
de lEurope centrale.
Cuvier
a toujours porté un intérêt à lhistoire naturelle depuis
quil était jeune homme et par la suite, après son tutorat
en Normandie, il sarrangea pour obtenir, après la Terreur
de la Révolution française, un travail comme jeune assistant au
Museum dhistoire naturelle où il élu ses domiciles scientifique
et domestique pour le reste de sa vie.
De
nombreuses publications suivirent sur lanatomie comparée
des invertébrés marins puis des mammifères. Il travailla sur les
trois espèces déléphants et sur le fait que les mammouths
nétaient reliables à aucun deux et quils avaient
disparu à cause dun bouleversement. Il mit en avant limportance
de lanatomie comparée en tant quoutil pour fonder
la théorie de la Terre.
Son
travail empirique avec Brongniart sur lalternance entre
eau douce, et fossiles marins et sédiments dans le bassin parisien
et son analyse rigoureuse et assidue de ces coquilles fossiles
lamenèrent à défendre la survenue dévénements catastrophiques
pour expliquer le phénomène géologique.
Le
fait quil ait découvert toute une faune de mammifères disparus
qui étaient différents de ceux vivant actuellement était sa première
préoccupation. La cause physique qui en découlait passait en second
plan pour lui. Cuvier considérait les catastrophes comme une part
de lOrdre naturel, et elles se sont produites à maintes
reprises au cours de lhistoire de la Terre. En conséquence,
nous avons une succession de la faune.

Figure
4 Un exemple de Cuvier sur linconformité et la
succession de la faune.
William
Smith est né à Churchill, Oxfordshire, dans une famille dun
type tout à fait opposé à celle dune famille doutre-Manche,
mais la même année que Cuvier. Il était le fils dun maréchal-ferrant
de village qui mourut alors quil était un jeune garçon.
Il dut se prendre en charge très tôt et eut une formation de géomètre.
En ces temps de canaux, les constructions étaient nombreuses en
Grande-Bretagne et Smith fut employé par les compagnies dans cette
course.
Cétait
un observateur attentif et il se rendit compte que les couches
de faune se succédaient lune après lautre en séquences
précises. Il devint suffisamment assuré pour déduire les types
des roches à partir des fossiles quelles contenaient. Son
travail la amené à beaucoup voyager, parcourant quelques
16 000 km par an, ce qui représentait une belle distance
en ces temps où lon se déplaçait principalement à cheval !
Il fit ensuite la première Carte géologique de lAngleterre
et du Pays de Galles et dune partie de lÉcosse,
en 1815. En 1819, il publia une partie de ses travaux sous le
titre Lidentification des strates par lorganisation
des fossiles. Toutefois, William Smith na jamais été
confiant dans son écriture et il na jamais rejoint une société
scientifique. Sa plus grande contribution a été son champ dobservation
et la synthèse quil en fit dans une carte géologique.
Ces
trois principes sappliquent aux strates sédimentaires. Deux
autres principes sont aussi utilisés : les principes de recoupement
et dinclusion.
L'ÉCHELLE
STRATIGRAPHIQUE
Tableau
2
La
première période stratigraphique a être reconnue a été le Tertiaire,
en 1760 par Arduino, un spécialiste de lexploitation minière
dans la République de Venise. Il distingua quatre paliers ou ordres
distincts les uns au-dessus des autres. Cétaient le Primaire,
le Secondaire, le Tertiaire et Quaternaire, respectivement les
hautes Alpes, les basses Alpes, les basses Alpes sub-alpines
et la plaine du Pô. Le second, le Jurassic, dont le nom est
bien connu maintenant, a été ainsi appelé par Von Humbolt en 1795
lannée même où James Hutton publiait sa " Théorie
de la Terre " en Écosse en référence aux travaux
quil avait accomplis dans les montagnes du Jura en France.
Tant que la révolution sociale pesa sur le développement didées
neuves en matière de stratigraphie, aucun système nouveau ne fut
reconnu.
Après
le traité de Versailles en 1815, le temps relatif fut de nouveau
en débat. En 1822, le Carbonifère fut identifié dans le nord de
lAngleterre par Conybeare et Philllips, et au même moment
dHalloy identifiait le Crétacé.
La
majorité des noms donnés aux périodes ont ensuite été inventés.
La dernière section stratigraphique a être identifiée est lOrdovicien
en 1879 après le long débat, pour ne pas dire la dispute, qui
opposa Sedgwick et Murchison au Pays de Galles. Une fois que l'échelle
stratigraphique fut complète, la nature des sections pouvait être
admise ou discutée.
LE
TEMPS ABSOLU
Introduction
Le
temps absolu dut attendre la découverte de la radioactivité en
1896 par Antoine-Henri Becquerel et plus tard la mise en évidence
que le radium irradiait toujours par les Curie et Laborde en 1903.
La
suggestion de Lord Rutheford, en 1903, dutiliser les éléments
radioactifs pour dater les roches était révolutionnaire. Et Strutt
démontra que les éléments radioactifs étaient dispersés dans les
minéraux à travers toute la roche. En 1907, Bertram Borden Boltwood
suggéra que la période de désintégration de luranium dans
le charbon pourrait être utilisée pour dater effectivement les
roches. Ainsi, plus le pourcentage de charbon dans un minerai
sera élevé, plus la roche sera ancienne.
Avec
ces nouvelles méthodes de datation radioactive, les géologues
ont pu étalonner léchelle relative du temps géologique et
créer ainsi une échelle du temps absolu. Arthur Holmes fut le
premier géologue à construire une échelle du temps (1927) basée
sur la datation radioactive, il en a été construit de nombreuses
autres depuis pour le Cambrien (Phanerozoïque GK. Lapparition
claire de la vie). On affine encore cette échelle de nos jours
où lon dispose de plus de données sur les isotopes.
LA
DATATION RADIOACTIVE
Les
techniques de datation radioactive se sont développées au début
du 20° siècle, elles utilisent la période de désintégration
dun instable, des éléments radioactifs tels que lU235,
K40, Rb87 ou le C14 dans le produit de leur désintégration obtenu
en un seul palier ou en une succession de paliers. Ces éléments
sont comme des horloges virtuelles au cur des roches de
la Terre et les gardiens du temps pour les géologues.
Cette
désintégration saccompagne dune émission à partir
du noyau de radiations ou de particules (rayons alpha, bêta ou
gamma), soit à cause de la capture nucléaire, soit à cause de
léjection des électrons orbitaux.
Donc
de la chaleur se dégage, et ceci fut un point important lors de
la conférence de Ernest Rutheford quand il débattait de lâge
de la Terre en compagnie de Lord Kelvin à la Société géologique
de Londres. Si un produit de désintégration est stable, il s'accumule
jusquà ce que lisotope parent soit complètement désintégré.
Si lisotope est aussi radioactif, léquilibre est atteint
quand il disparaît aussi vite quil se forme.
La
radioactivité dun élément est définie en demi-vie, le temps
quil faut à un élément pour perdre 50% de son activité par
désintégration.
Diagramme
Il
peut couvrir une grande échelle de temps, de billions dannées
aux micro-secondes. À la fin de la période représentant une demi-vie,
la moitié de ce qui reste est de nouveau divisé en deux, laissant
ainsi le quart de la quantité initiale et ainsi de suite. Chaque
élément radioactif a sa propre demi-vie, par exemple, le C14 a
5 730 années.
Les
limites
Il
y a cependant quelques limites à la datation radioactive.
- La
structure cristalline des minéraux constituant les roches doit
contenir des éléments radioactifs convenables.
- Les
roches doivent avoir un âge adéquat aux demi-vies connues.
Ainsi,
il nest pas utile dessayer de dater une coquille dun
million dannée avec du C14 alors quil ny avait
plus de C14.
De
même, il nest pas bon dessayer de dater du grès pur
constitué uniquement de quartz, SiO2, avec la méthode
de lU235, car le quartz ne contient en principe pas duranium !
Conclusion
Un
des scientifiques les plus connus au monde est sans doute Charles
Darwin. Ce qui est moins connu, cest quil a commencé
comme géologue. John Cartwright vous parlera un peu de son travail.
La compréhension de lévolution de la perception du temps
relatif et absolu par lhomme, et de lâge de la Terre
nous ont aidés à comprendre le contexte dans lequel nous sommes,
sur la planète oùv nous vivons.
Notes
De
même que la conférence, les parties interactives 2 et 3 seront
approfondies dans les ateliers. Il est souhaitable que trois des
cinq principes soient illustrés sur le terrain du volcan El Teide.
Toutefois, il est possible dutiliser un site urbain en se
servant des pierres des constructions, par exemple pour illustrer
le principe de superposition
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V, (III),39-99.
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University of Chicago Press, ISBN 0226731073
ATELIER
Matériel
nécessaire :
- un
réveil très sonore et un chronomètre dune heure ;
- si
cest possible, un sablier ;
- une
ficelle graduée à divers intervalles correspondant aux événements
saillants qui ont marqué la Terre ;
- deux
membres du public (si cela na pas déjà été fait lors de
la conférence) ;
- le
dessin dune coupe géologique.
Présenter
au public les deux manières de voir le temps géologique.
Les
deux derniers principes seront bien illustrés par le terrain du
mont Teide et par lexercice datelier.
- Le
principe de recoupement.
- Le
principe dinclusion.
Il
sera possible dillustrer au moins lun deux par
une excursion sur le terrain. On montrera comment on peut illustrer
cela dans un environnement urbain à laide des fenêtres et
des portes dun bâtiment.
Ateliers
Activité
1
Exercice
de la ficelle
La
ficelle et les dates significatives peuvent être différentes selon
le pays dans lequel cet exercice est effectué (ex : Black
Death). Il est évident que les événements placés sur l'échelle
peuvent varier entre la Grande-Bretagne et, par exemple, lEspagne
ou la Grèce.
Utiliser
une échelle de 1 centimètre pour 1 000 années. Comme nous
serons en 2001, ce sera significatif.