La stratigraphie est la science qui étudie les couches (ou strates) sédimentaires afin d’établir l’ordre chronologique de leur mise en place et de reconstituer la succession des événements géologiques d’une région. Elle repose sur un ensemble de principes fondamentaux, établis dès le XVIIᵉ siècle et enrichis depuis, qui permettent de passer de l’observation du terrain à une chronologie relative, puis à une échelle stratigraphique universelle calée en âges absolus.
Le principe de superposition
Énoncé par Nicolas Sténon, le principe de superposition stipule que, dans une série sédimentaire n’ayant subi aucune perturbation tectonique majeure (pas de renversement), chaque couche est plus récente que la couche qui lui est immédiatement inférieure et plus ancienne que la couche qui la surmonte. Ce principe, simple mais fondamental, constitue la base de toute lecture chronologique d’une colonne stratigraphique.
Le principe de continuité et le principe de recoupement
Le principe de continuité (ou d’identité de faciès) énonce qu’une couche de même nature lithologique, observée en plusieurs points, a le même âge sur toute son étendue, tant qu’elle n’est pas interrompue (par une faille, une lacune, un changement latéral de faciès). Il permet de corréler des couches entre affleurements voisins.
Le principe de recoupement énonce qu’une structure géologique (faille, filon, intrusion magmatique) qui en recoupe une autre (couche, autre faille) lui est nécessairement postérieure : on ne peut pas couper ce qui n’existe pas encore. Ce principe est essentiel pour ordonner les événements tectoniques et magmatiques par rapport aux dépôts sédimentaires.
Le principe d’identité paléontologique et les fossiles stratigraphiques
Le principe d’identité paléontologique énonce que deux couches, même éloignées géographiquement, contenant les mêmes associations de fossiles caractéristiques, sont de même âge. Ce principe permet des corrélations à grande distance, y compris entre régions de faciès différents, là où le principe de continuité est inapplicable.
Un bon fossile stratigraphique (ou fossile guide) doit répondre à plusieurs critères : évolution rapide (durée de vie géologique courte, donc grand pouvoir de datation), large répartition géographique, indépendance vis-à-vis du milieu de dépôt (faciès), et abondance permettant sa découverte facile. L’intervalle de temps pendant lequel un fossile guide a existé définit une biozone.
De la chronologie relative à l’échelle stratigraphique
En appliquant ces principes à l’ensemble des terrains sédimentaires du globe, les géologues ont construit une échelle stratigraphique internationale, hiérarchisée en unités chronostratigraphiques emboîtées : ère, système (période), série (époque), étage. Cette échelle exprime d’abord une chronologie relative (l’ordre des événements), à laquelle on associe des unités géochronologiques équivalentes (ère, période, époque, âge).
Les méthodes de datation absolue (radiochronologie, fondée sur la désintégration d’isotopes radioactifs contenus dans certaines roches, notamment volcaniques) permettent ensuite d’attribuer des âges numériques (en millions d’années) aux limites de ces unités, transformant l’échelle relative en une échelle calibrée en temps absolu.
Application : la corrélation stratigraphique
En pratique, la reconstitution de l’histoire d’une région combine plusieurs coupes locales : on établit la colonne stratigraphique de chaque affleurement en appliquant le principe de superposition, on identifie les couches communes grâce à leur lithologie ou à leurs fossiles (continuité, identité paléontologique), et l’on situe les événements tectoniques ou magmatiques grâce au principe de recoupement. On obtient ainsi une colonne stratigraphique synthétique, ordonnée, représentative de l’ensemble de la région étudiée.
Exercices
Exercice 1 — Énoncer le principe de superposition et préciser sa limite d’application (dans quel cas ne peut-on pas l’utiliser directement ?).
Exercice 2 — Une colonne stratigraphique non perturbée présente, de bas en haut, les couches suivantes : marnes (1), calcaires (2), grès (3), argiles (4). Classer ces couches de la plus ancienne à la plus récente et justifier.
Exercice 3 — Une faille F recoupe les couches 1, 2 et 3 d’une coupe, mais pas la couche 4 qui la surmonte. Déterminer, en le justifiant, si la faille est plus ancienne ou plus récente que chacune de ces couches, puis situer l’âge de la faille entre deux événements.
Exercice 4 — Deux affleurements A et B, distants de 20 km, présentent chacun une couche de calcaire à silex de même aspect lithologique. Quel principe permet d’affirmer que ces deux couches sont contemporaines ? Quelle précaution faut-il prendre avant de conclure ?
Exercice 5 — On trouve dans deux régions de faciès très différents (l’une à dominante calcaire, l’autre à dominante gréseuse) la même espèce de fossile, connue pour avoir eu une durée de vie géologique très courte et une répartition géographique très large. Quel principe permet de corréler ces deux régions ? Citer deux autres critères qu’un fossile stratigraphique doit vérifier.
Exercice 6 — Une coupe présente, de bas en haut : couche A (grès), couche B (calcaire), une discordance, puis couche C (marnes) recoupée par un filon de basalte, puis couche D (grès) non recoupée par le filon. Établir la chronologie relative complète des événements (dépôts, discordance, mise en place du filon) en justifiant chaque étape à l’aide des principes stratigraphiques.
Exercice 7 — Une couche de cendres volcaniques intercalée dans une série sédimentaire a été datée par radiochronologie à 65 millions d’années. Elle se situe entre une couche contenant un fossile guide F1, dont la biozone est comprise entre 70 et 60 Ma, et une couche supérieure contenant un fossile guide F2, dont la biozone est comprise entre 62 et 50 Ma. a) La position de la couche de cendres est-elle compatible avec l’ordre stratigraphique attendu pour F1 et F2 ? Justifier. b) Expliquer, à partir de cet exemple, comment la datation absolue et la datation relative (fossiles guides) se complètent pour construire l’échelle stratigraphique.
Corrigés
Corrigé 1 — Le principe de superposition énonce que, dans une série sédimentaire non perturbée, chaque couche est plus ancienne que celle qui la surmonte et plus récente que celle qui la sous-tend. Il ne peut pas être appliqué directement lorsque la série a subi un renversement tectonique (pli couché, charriage) : dans ce cas, l’ordre apparent des couches ne correspond plus à leur ordre chronologique réel, et il faut utiliser d’autres critères (polarité des structures sédimentaires, par exemple) pour rétablir l’ordre initial.
Corrigé 2 — D’après le principe de superposition, la couche la plus basse est la plus ancienne. L’ordre chronologique, du plus ancien au plus récent, est donc : marnes (1) → calcaires (2) → grès (3) → argiles (4).
Corrigé 3 — D’après le principe de recoupement, une structure qui recoupe des couches leur est postérieure. La faille F recoupant les couches 1, 2 et 3, elle est donc plus récente que ces trois couches. En revanche, la couche 4 n’étant pas affectée par la faille, celle-ci lui est antérieure (la faille existait déjà quand la couche 4 s’est déposée, sinon elle l’aurait recoupée) — autrement dit, la faille s’est mise en place après le dépôt de la couche 3 et avant le dépôt de la couche 4.
Corrigé 4 — Le principe de continuité (identité de faciès) permet d’affirmer que ces deux couches, de même nature lithologique et non interrompues entre les deux affleurements, sont contemporaines. La précaution à prendre est de vérifier qu’il n’existe pas de discontinuité entre A et B (faille, lacune de sédimentation, changement latéral de faciès) qui invaliderait cette corrélation, et si possible de confirmer la contemporanéité par un critère paléontologique indépendant.
Corrigé 5 — C’est le principe d’identité paléontologique qui permet de corréler ces deux régions de faciès différents : la présence du même fossile stratigraphique indique que les couches qui le contiennent sont du même âge, indépendamment de leur lithologie. Deux autres critères qu’un bon fossile stratigraphique doit vérifier : une abondance suffisante pour être facilement retrouvé, et une indépendance vis-à-vis du milieu de dépôt (le fossile ne doit pas être restreint à un seul type de faciès).
Corrigé 6 — Chronologie relative : le grès (A) est déposé en premier, puis le calcaire (B) le surmonte (principe de superposition). Survient ensuite la discordance, qui marque une interruption de la sédimentation (émersion et/ou érosion) : elle est donc postérieure au dépôt de B. Les marnes (C) se déposent ensuite, au-dessus de la discordance. Le filon de basalte recoupe la couche C : il lui est donc postérieur (principe de recoupement). Enfin, la couche D (grès), non affectée par le filon, s’est déposée après la mise en place du filon. Ordre chronologique complet : dépôt de A → dépôt de B → discordance (émersion/érosion) → dépôt de C → intrusion du filon de basalte → dépôt de D.
Corrigé 7 — a) Oui, la position est compatible : la couche de cendres, datée à 65 Ma, se situe entre la couche à F1 (biozone 70–60 Ma, qui inclut 65 Ma) en dessous et la couche à F2 (biozone 62–50 Ma) au-dessus. Comme F1 a disparu avant 60 Ma et que F2 apparaît vers 62 Ma, une couche datée de 65 Ma se plaçant après F1 et avant F2 respecte bien l’ordre stratigraphique attendu (superposition et succession des biozones). b) Cet exemple montre que la datation relative, fondée sur la succession des fossiles guides, permet d’établir l’ordre des événements et de définir des biozones, tandis que la datation absolue, fondée sur la radiochronologie de niveaux volcaniques intercalés, fournit des âges numériques précis qui viennent caler cette échelle relative en temps réel (en millions d’années). C’est la combinaison des deux approches qui a permis de construire l’échelle stratigraphique internationale, à la fois ordonnée et datée.
