Cours Géol Historique - Partie 1 (PDF)

Géologie historique : L.3, Semestre 5. STU, université Tlemcen CONTENU DE LA MATIERE : COURS INTRODUCTION GÉNÉRALE CONCEPTS ET METHODES DE LA GEOLOGIE HISTORIQUE Première partie : le Protérozoïque et l’ère paléozoïque CHAPI...

Géologie historique : L.3, Semestre 5. STU, université Tlemcen CONTENU DE LA MATIERE : COURS INTRODUCTION GÉNÉRALE CONCEPTS ET METHODES DE LA GEOLOGIE HISTORIQUE Première partie : le Protérozoïque et l’ère paléozoïque CHAPITRE 1 : PROTEROZOIQUE I- ORIGINES DE LA TERRE ET DE LA VIE II- CARACTÈRES GÉNÉRAUX DU PRÉCAMBRIEN III- LE PRÉCAMBRIEN EN ALGÉRIE CHAPITRE 2 : PALEOZOIQUE I. GÉNÉRALITÉS A. LES LIMITES DE L’ERE PALEOZOIQUE B- LES GRANDES CRISES BILOLOGIQUES II. PALEOGEOGRAPHIE DU GLOBE Deuxième partie : Le Mésozoïque CARACTERES GENERAUX DE L’ERE MESOZOÏQUE I. GÉNÉRALITÉS A. LES LIMITES DE L’ERE MESOZOÏQUE B- LES GRANDES CRISES BILOLOGIQUES II. PALEOGEOGRAPHIE DU GLOBE Troisième partie : L’ère cénozoïque et quaternaire CARACTÈRES GÉNÉRAUX DU CENOZOÏQUE, CRISE BIOLOGIQUE, OROGENESE ET PALEOGEOGRAPHIE DU GLOBE 1 INTRODUCTION GENERALE CONCEPTS ET METHODES DE LA GEOLOGIE HISTORIQUE 1- DEFINITION La géologie historique est une discipline scientifique qui se propose de retracer l’enchaînement des grands évènements géologique qui ont donné au globe terrestre sa physionomie actuelle. La démarche est donc spatio-temporelle (temporelle : datation des objets et évènements par différentes méthodes = paléontologie, sédimentologie, pétrographie, tectonique, géophysique, géochimie,… et spatiale=paléogéographie au sens large) et consiste en une reconstitution évènementielle. Elle est basée sur la stratigraphie et la paléogéographie (qui ne sont que des outils de la géologie historique). Elle fait appel également à la géodynamique, paléontologie, sédimentologie, géologie structurale…. Fig. 1 : Exemple de reconstitution paléogéographique à la fin du Crétacé, l’océan atlantique était formé et l’Inde se déplaçait rapidement vers le nord, où elle a fini par entrer en collision avec l’Asie.  la stratigraphie qui compte deux grandes méthodes complémentaires : - la chronologie relative qui date les évènements géologiques les uns par rapport aux autres ; - la chronologie absolue qui fournit des données (datations) chiffrées pour les évènements.  la paléogéographie qui reconstitue la succession des géographies et ainsi retrace l’histoire de la planète terre. Document préparé par : Mohammed ADACI 2  Les objets de la géologie historique se proposent de :  de reconstituer à chaque période le paysage géologique, les manifestations géodynamiques et les populations animales et végétales.  de retracer les différentes évolutions paléogéographiques (retracer les géographies successives de la planète terre), paléoocéanographiques, paléocourantologiques, paléoclimatologiques et paléoécologiques. 2- LES SYNTHESES PALEOGEOGRAPHIQUES 2.1- Les concepts fondamentaux Pour réaliser des synthèses historiques, il faut disposer de fils directeurs : repères, marqueurs, évènements. On les cherche essentiellement dans l’évolution des organismes, les cycles sédimentaires, les grands bouleversements de la géographie de la planète (orogenèses). A l’échelle des temps géologiques, on connaît les grandes orogenèses suivantes : - Les orogenèses précambriennes (Tab.1): Ce sont des évènements géologiques qui se sont déroulés au Précambrien ancien (Archéen) et pendant le Protérozoïque (de 4 550 Ma à 545 Ma). Il s’agit des orogénèses : Saamienne ; * Ouzzalienne ; Eburnéenne ; Kibarienne et Panafricaine (Cadomienne). + * -------------------------------------------- + - L’orogénèse calédonienne : qui se déroule principalement pendant le Paléozoïque inférieur. + - L’orogénèse hercynienne ou varisque: qui + * s’achève à la fin du Paléozoïque supérieur. - L’orogénèse alpine : du Mésozoïque- Cénozoïque. + Les grands évènements clôturant chacun de ces mégacycles ont été considérés comme * comparables à l’échelle du Globe. Ils ont été * utilisés pour définir certaines coupures stratigraphiques. Ainsi, par exemple la limite Paléozoïque-Mésozoïque serait marquée par la fin + * de l’orogénèse hercynienne. Tab.1 : Extrait du tableau divisions et orogénèses du Précambrien (Elmi et Babin 2002). Par exemple la Pangée est un supercontinent existant à la fin du Paléozoïque et qui s’est séparé en Laurasie au Nord et Gondwana au Sud. La notion de tel processus cyclique de formation puis de la rupture de supercontinent a été introduite par J. T. Wilson (1996). 3 Document préparé par : Mohammed ADACI L’ouverture d’un bassin océanique intercontinental, son expansion puis sa fermeture ultérieure résultant de la subduction avec formation d’une chaîne de collision explique cette succession d’assemblages-fragmentations. La durée d’un tel cycle de Wilson, s’étendant d’une période de dispersion de la croûte continentale jusqu’à celle du regroupement en un nouveau supercontinent, paraît être de l’ordre de 400 à 500 Ma. 2.2- Cratons et chaînes de montagnes Définitions : Cratons : vaste portion stable ou domaine continental par opposition aux zones instables déformées. Bouclier : vaste portion stable de socle ancien constitué surtout de roches magmatiques et métamorphiques généralement d’âge précambrien, dépourvu de couverture sédimentaire plus récente. On distingue, dans les ensembles continentaux actuels, deux principaux types structuraux à un moment donné de l’histoire géologique : - Les ensembles cratonisés, qui ont servi d’avant-pays aux dernières orogénèses (Ex. l’Europe extra-alpine). - Les chaînes de montagnes récentes, stabilisées ou non. Les cratons ou aires continentales sont des zones où la croûte est épaisse avec une forte proportion de croûte granitique continentale. Ce sont des régions stables qui ont été antérieurement déformées par des plis denses et armées par le métamorphisme et les montées plutoniques. En conséquence les cratons sont très rigides ne pouvant se déformer de façon souple. Une chaîne de montagne correspond à une région plissée ou encore les résultats de l’orogénèse qui a provoqué le plissement et la surrection. Par exemple, on parlera, ainsi, de la « chaîne hercynienne » à la fin du Paléozoïque ; à cette époque c’était une chaîne jeune, non démantelée par l’érosion (altitude devait dépasser 5000m). Elle sera ensuite progressivement érodée, aplanie et on parlera des « massifs hercyniens », qui font partie du craton européen et qui serviront d’avant-pays à la chaîne alpine. Dans les structures actuelles, on peut reconnaître : - Stade naissant : Taïwan, Indonésie. - Chaîne présentant une altitude maximale (paroxysme orogénique) : Himalaya. - Stade de jeunesse : Alpes, Andes. - Stade de maturité : Appalaches, Calédonides de Scandinavie. - Chaînes arasées : massifs anciens et les chaînes « arasées jusqu’à la racine » des grands boucliers précambriens. Comment sont distribuées les grandes chaînes de montagnes ? Elles ne sont pas distribuées de façon quelconque. Les chaînes récentes et les domaines actuellement mobiles se répartissent en deux grandes ceintures orogéniques à l’échelle planétaire : 4 Document préparé par : Mohammed ADACI  - La ceinture péripacifique sur le pourtour des continents américain, asiatique et australien. - La ceinture téthysienne (mésogéenne), latitudinale, perpendiculaire à la précédente et comprise entre deux ensembles de cratons, au nord Amérique du Nord et Eurasie, au sud Amérique du Sud, Afrique et Inde. Fig. 2 : ceinture péripacifique et ceinture téthysienne (mésogéenne). Les reconstitutions paléogéographiques sont, en général, difficile à élaborer ; la remise dans leur position originelle des divers éléments géologiques comportera de nombreuses hypothèses (conjectures). La théorie de la tectonique des plaques a placé l’ensemble des reconstitutions paléogéographiques dans un cadre mobiliste. Les études de paléomagnétisme continental permettent de déterminer uniquement les déplacements latitudinaux des continents, par contre, les données paléontologiques et structurales peuvent fournir quelques données pour les longitudes. Enfin, de façon générale, les reconstitutions paléogéographiques réalisées pour les 200 Ma dernier (Jurassique – actuel) sont de plus en plus fiable ; pour les périodes antérieures, elles restent plus hypothétiques. 5 Document préparé par : Mohammed ADACI  Première partie : LE PROTEROZOÏQUE ET L’ERE PALEOZOÏQUE CHAPITRE 1 : PROTEROZOIQUE I- ORIGINES DE LA TERRE ET DE LA VIE L'histoire de la planète Terre est liée à celle du système solaire, tant pour son origine que pour sa composition : - La Terre (Fig. 3) appartient au Système solaire, - Ce système solaire appartient à une galaxie (la Voie Lactée). - L’Univers est composé de galaxies. Fig. 3 : La Planète bleue (Planète océane) 1- Le Big Bang D'après la théorie du Big Bang (Marshak, 2010), l'univers a commencé par une explosion cataclysmique. Il est en expansion permanente depuis lors. Selon cette théorie, toute la matière et l'énergie qui constitue maintenant l'Univers étaient initialement compactées dans un petit point infinitésimal. Pour des raisons que personne ne comprend, ce point a explosé, il y a environ 13,7 milliards d'années. Depuis le Big Bang, l'Univers a continuellement été en expansion. Bien sûr, personne n'était présent au moment du Big Bang. Mais, en combinant des calculs avec des observations minutieuses, les chercheurs ont développé un modèle cohérent de l'évolution de l'Univers (Fig. 4). Fig. 4 : Le concept de l'Univers en expansion ; les spirales représentent les galaxies. Ga (giga annum) = des milliards d'années (Marshak, 2014). 2- Types de galaxies Trois types morphologiques principaux de galaxies (Fig. 5): - irrégulières, - elliptiques, - spirales. 6 Document préparé par : Mohammed ADACI  Fig. 5 : Trois types morphologiques principaux de galaxies (irrégulières, elliptiques, - spirales). 3- La période d'accrétion [4.568 Ga à 4.4 Ga] L'Hadéen commence par un processus d'accrétion des grains de poussières présents dans le disque protoplanétaire et de tous matériaux issus de la condensation de particules solides à partir des gaz de la nébuleuse Primitive. Ces grains de poussières composés de (silicates d'aluminium et de calcium), de feldspath anorthite, de silicates, de fer, de pyroxène, de magnésium, constitueront la matière primitive des planètes (planétésimaux). 3.1- Processus d'accrétion de la planète Terre à partir des poussières du disque protoplanétaire : Ce processus d'accrétion s’est effectué à partir des poussières du disque protoplanétaire (Fig. 6) : a- les grains de poussières de la nébuleuse solaire s'agglomèrent par collision et forment progressivement des corps de un kilomètre à 10 kilomètres de diamètre. b- les corps devenus plus gros attirent plus fortement la matière, leur masse croît exponentiellement: c'est l'emballement gravitationnel qui construit d'abord des objets de plusieurs dizaines de kilomètres de diamètre puis des planétésimaux de plusieurs centaines de kilomètres de diamètre. 7 Document préparé par : Mohammed ADACI  3.2- La formation et nature de notre système Solaire Fig. 6 : La formation du système Solaire (Marshak, 2014) Notre Système Solaire s'est formé il y a environ 4,57 Ga (milliards d'années), plus de 9 milliards d'années après le Big Bang. Notre Soleil est une étoile créée à partir d'une nébuleuse. Les matériaux de cette nébuleuse peuvent être divisés en deux classes. - Les matériaux volatils - comme l'hydrogène, l'hélium, le méthane, l'ammoniac, l'eau et le monoxyde de carbone - sont ceux qui peuvent exister sous forme gazeuse à la surface de la Terre. Dans les conditions de température et de pression de l'espace, certains matériaux gazeux restent sous forme gazeuse, mais d'autres gèlent pour former différents types de « glace ». - Les matériaux réfractaires sont ceux qui ne fondent qu'à haute température ; ils se condensent pour former des particules de « poussière ». De la sorte, quand les astronomes font référence à de la poussière, ils parlent du matériau solide rocheux ou métallique. 3.3- Formation des planètes du système solaire Fig. 7 : Formation des planètes du système solaire (Marshak, 2014). 8 Document préparé par : Mohammed ADACI  3.4- Formation de la Terre par condensation des gaz et accrétion La formation de la Terre s’est faite par condensation des gaz et accrétion (agglomération) des particules solides (Fig. 7 et 8), Fig. 8 : Formation de la Terre par condensation des gaz et agglomération) des particules solides. Ces planétésimaux de la taille de petites planètes (Fig. 8) vont entrer en collision. Leurs impacts et leurs accrétions vont peu à peu construire les différentes planètes du disque protoplanétaire dont la Terre. Au bout de 40 millions d'années de ce processus, 99 % de la planète Terre est accrétée. Un événement va amener la planète Terre pratiquement à sa taille actuelle et donner naissance à son satellite : la Lune. Il s'agit de sa collision entre 50 et 100 Ma après le début de l'origine de la Terre, avec une planète de la taille de Mars : la planète Theia. L'énorme choc provoque la fusion de la partie externe et du manteau de la proto-Terre (Fig. 9). 3.5- Formation de la Lune Fig. 9 : collision de la Terre avec une planète et naissance du satellite de la Terre : la Lune (Marshak, 2014). 9 Document préparé par : Mohammed ADACI  Fig. 10 : Système solaire actuel. En conclusion, LA PLANÈTE TERRE a commencé à se former il y a 4.568 ± 0.003 Ga. Comme les autres planètes du système solaire, elle s'est formée par condensation des gaz et accrétion (agglomération) des particules solides (poussières,...) tournoyant autour du soleil dans le disque protoplanétaire. Deux grandes périodes géologiques appelées éons décrivent son évolution, : - Eon Précambrien regroupant : l'Hadéen, l'Archéen et le Protérozoïque. Il commence par la période d'accrétion de la Terre il y a 4,568 milliards d’années, et s'achève, il y a 544 millions d’années. - Eon Phanérozoïque regroupant : les ères Paléozoïque, Mésozoïque et Cénozoïque. Il va du Paléozoïque qui démarre il y a 544 Ma jusqu‘au quaternaire dans lequel nous vivons. 3.6- La différenciation noyau-manteau de la proto-Terre [4.568 Ga à 4.538 Ga] Pendant la période d'accrétion, la chaleur produite par les nombreux impacts météoritiques, la désintégration des éléments radioactifs présents dans la matière primitive et l'énergie gravitationnelle d'accrétion, a maintenu une température élevée et permis aux éléments les plus denses (fer, nickel) de la Proto-Terre de migrer vers le centre de la planète pour former un noyau métallique liquide (Fer, Nickel). A forte profondeur, des éléments silicatés se sont solidifiés autour du noyau formant un manteau solide qui sera recouvert par un océan magmatique généralisé (Fig. 11). Fig. 11 : Terre à l'Hadéen vers 4.468 Ga (différenciation noyau-manteau) 10 Document préparé par : Mohammed ADACI  3.7- Un océan magmatique généralisé [4.568 Ga à 4.40 Ga] Pendant toute la période d'accrétion, un océan magmatique généralisé recouvrait la surface du globe (Fig. 11). Les roches sont en fusion jusqu'à une profondeur de 1000 kilomètres. La forte chaleur qui existait provenait de l'énergie gravitationnelle d'accrétion, de l'énergie de différenciation noyau/manteau, de la désintégration des nombreux éléments radioactifs et des impacts météoritiques. L'énorme choc de la planète Theia entre 50 et 100 Ma à l’origine de la formation de la Lune a contribué à la fusion de la partie externe du manteau de la proto-Terre sur une grande épaisseur. Après, la chaleur va progressivement se dissiper, l'océan magmatique se refroidit en surface pour développer des plaques solidifiées qui vont flotter sur le magma sous-jacent, puis s'accoler et progressivement former une croûte solide de faible épaisseur, fragmentée en de nombreuses microplaques, appelée : la croûte terrestre primitive. 3.8- La croûte terrestre primitive 4.4 Ga et la structuration de l'océan magmatique Cette croûte primitive d'une 10 de kilomètres d'épaisseur issue de la cristallisation supérieure de l'océan magmatique généralisé était de type lunaire (basique à ultrabasique). Elle flottait sur l'océan magmatique. L'océan magmatique silicaté va progressivement par des phénomènes physique et chimique se modifier, se différencier et cristalliser à son tour pour former le manteau supérieur constitué de péridotites (roches ultrabasiques), La cristallisation du manteau supérieur se construit peu à peu par cristallisation. Après 160 millions d'années, l'océan magmatique sera totalement cristallisé préfigurant le manteau supérieur actuel. L'activité volcanique est intense, de nombreuses chaînes volcaniques percent la croûte terrestre primitive en formation et déversent sur celle-ci de grandes quantité de laves appelées : les komatiites. Avec la perte de chaleur, les plaques qui forment la croûte terrestre primitive s'élargissent, des proto-océans alimentés par de fortes pluies se forment. Un événement daté entre 4 et 3.9 Ga marque la fin de l'Hadéen : la Terre a subit un bombardement d'astéroïdes qui se détachent de la ceinture d'astéroïdes (appelé bombardement tardif) termine la période d'accrétion et va enrichir la composition de la croûte terrestre d'éléments sidérophiles, de fer et d'or. A ce stade les continents n'existent toujours pas. La croûte terrestre primitive est différente de la croûte terrestre actuelle qui est composée de croûte continentale et une croûte océanique. Les premiers embryons de continents ne vont commencer à se former que vers la fin de l'Hadéen. 3.9- L'atmosphère à l'Hadéen Le champ de gravitation qui existe à l'Hadéen va retenir autour de la Terre , une atmosphère primitive composée d'éléments volatils provenant du dégazage de l'océan magmatique: diazote (N2), ammoniac (NH3), gaz carbonique (CO2), Méthane (CH4), vapeur d'eau (H2O). L'eau se serait ensuite condensée pour donner naissance à des océans. Le gaz carbonique va se fixer sur les silicates à la surface de l'écorce terrestre primitive. 11 Document préparé par : Mohammed ADACI  3.10- L'hydrosphère à l'Hadéen Quand la température arrive en dessous du point critique qui est pour l'eau 374 °C sous 220 atmosphères de pression, la vapeur d'eau se condense, il pleut et des océans se mettent en place dans les bassins. --------------------------- II- CARACTERES GENERAUX DU PRECAMBRIEN 1- Introduction Le Précambrien ou Antécambrien (Tab.1) correspond à la période de temps écoulée depuis l’origine de la Terre (vers 4 550 Ma.) jusqu’au début du Cambrien (545 Ma.). Les terrains sédimentaires les plus anciens connus datent seulement de 3 800 Ma. (Isua au Groënland). Les plus anciennes roches connues, sous forme d’enclave (gneiss d’Acasta, craton du Lac des Esclaves, Canada), sont datées à 4000 Ma et nous n’avons pas de données pour les temps antérieurs constituant l’Hadéen. Dans l’Archéen (de 4000 à 2500 Ma), la période initiale est parfois appelée Katarchéen jusqu’à 3500 Ma. Le Protérozoïque est bien reconstitué, il s’étend de 2500 à 545 Ma. Donc le Précambrien correspond à près de 8/9 de l’histoire de la Terre. 2- Les grandes phases de l’évolution de la Terre au Précambrien Au cours du Précambrien, on distingue trois grandes phases : 2.1- Phase permobile (de 4550 à 2500 Ma) : Elle correspondrait à une phase de mobilité permanente qui s‘est déroulée depuis les origines jusqu’à la discordance éparchéenne. La croûte initiale est de type lunaire (basique ou ultrabasique : anorthosite, gabbro), elle est affectée par des courants de convection. Ces mouvements expulsent l’eau et les gaz vers la surface. Dès que la température baissa, l’hydrosphère est apparue vers 4000 Ma ? (Fig. 12). Les premières mers sont constituées d’eaux acides (CO2 dissous d’origine magmatique). Fig. 12 : Komatiites : Ce sont des roches basaltiques magnésiennes découvertes en 1969 en Afrique du Sud (rivière Komati), elles ont correspondu à des coulées très chaudes (1600°C), elles sont repérées sur les boucliers précambriens (3500-1800 Ma.). 12 Document préparé par : Mohammed ADACI  En même temps, l’atmosphère primitive se modifie ; initialement hydrogénée, elle s’enrichie en eau, en gaz carbonique et un peu en azote tandis que le méthane et ammoniac n’était présent qu’en faible quantité. La présence d’eau liquide va provoquer l’enchaînement des phénomènes géologiques classiques : - érosion et sédimentation en liaison avec la subsidence donnant naissance aux premières roches sédimentaires (vers 4000 Ma) ; - métamorphisme et anatexie et ainsi formation des premiers granitoïdes constituant les premières croûtes sialiques légères. La mise en place des boucliers va commencer ; les granites sont connus depuis plus de 3750 Ma. Pendant cette phase, l’atmosphère reste acide sous l’effet du dégazage en CO2. Cette période initiale semble se terminer par l’orogenèse saamienne (entre Katarchéen et Archéen), pendant laquelle la croûte continentale se constituerait par accrétion verticale. La fin de la phase saamienne est plus ou moins contemporaine de l’apparition des stromatolites qui indique probablement celle de la photosynthèse. La croûte va ensuite subir une diversification. Entre les plutons et les gneiss résultant de la phase saamienne et autour d’eux se mettent en place des ceintures mobiles constituées de roches vertes (greenrock belt), localisées dans des contextes intra-continentaux où l’activité crustale induit (aboutit) la formation de komatiites ; ces ceintures de roches vertes archéennes ne sont donc pas des reliques de paléo-océans. Avec leur cortège sédimentaire, métamorphique et plutonique, l’évolution de ces ceintures conduit à l’orogénèse kénoréenne soulignée par la discordance éparchéenne qui marque la fin de la phase permobile. La reconnaissance d’un très ancien supercontinent (hypothétique), appelé Vaalbara, a été proposée par Zegeers et al (1998), fondée sur des arguments géochronologiques, structuraux et paléomagnétiques. Il aurait été constitué (3300-3100 Ma) de l’accrétion des cratons sud-africain de Kaapvaal et ouest-australien de Pilbara (Fig. 13). Fig. 13 : Supercontinent Vaalbara qui serait vraisemblablement l’un des plus ancien supercontinent formé (3.6 à 3.3 Ga), Sa forme n'est pas connue, mais des cratons sont visibles (en Australie et au sud de l'Afrique). Document préparé par : Mohammed ADACI 13  Pendant l’Archéen (- 4 000 Ma à – 2.500 Ma), il s’est formé des continents et la formation du supercontinent Kenorland (Fig. 14), il y a eu l’apparition des stromatolithes, précipitation de Fer avec un atmosphère dense faible teneur en oxygène. ère 1 Supercontinent: Kenorland Fig. 14 : 2.2- Phase de transition (de 2500 à 1950 Ma) : La transition Archéen-Protérozoïque correspond au passage d’une coexistence de deux types de tectoniques, verticales et horizontale, à un style unique, tectonique horizontale (accrétion périphérique). Au cours de cette phase se sont déroulé les évènements qui conduisent à l’orogenèse éburnéenne. Pendant cette période, il s’est formé les minerais de Fer Rubanés (BIF : Banded Iron Formation) connus dans le Protérozoïque inférieur du Canada (Grands Lacs) et du Sahara Occidental. Ce minerai se présente comme une alternance de lits centimétriques de silice et de fer ferreux indiquant un milieu réducteur (Fig. 15). Fig. 15 : Les fers rubanés (BIF: Banded Iron Formation ) de l'Archéen du groupe de Fig Tree (Afrique du Sud) 14 Document préparé par : Mohammed ADACI