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La géologie

Assurer l’isolement des déchets radioactifs grâce à une barrière géologique naturelle nécessite une excellente connaissance du site dans lequel est implanté le stockage, de son histoire et de son évolution.

Pour décrire le sous-sol, les géologues disposent d'outils pour cartographier, analyser  et étudier les différentes couches de roche qui le constituent. Ils peuvent alors reconstituer une histoire détaillée d'un site géologique sur des millions d’années et anticiper son évolution.

Etudier le milieu géologique

Forage incliné aux alentours du Laboratoire de recherche souterrain de Meuse/Haute Marne

Pour étudier et connaître les couches géologiques, les géologues disposent d’un éventail de moyens tels que les relevés géologiques de surface, les forages ou la reconnaissance sismique. Les résultats de leurs études permettent de reconstituer l'histoire géologique et ainsi de construire une image précise, en trois dimensions, de la zone étudiée.

Les terrains de surface

En s’appuyant sur des observations de terrain, les géologues étudient la nature et la structure des formations rocheuses, et parviennent à reconstituer les événements géologiques passés et actuels d’un site donné.

Affleurement des roches calcaires aux alentours du LMHM [alignement] droite

L’observation de terrain

Les observations de terrain réalisées sur les couches de roches affleurantes, dans les mines, les carrières, les tranchées, les tunnels ou les grottes, apportent des informations sur la nature et la structure des formations géologiques.

Pour connaître les caractéristiques géologiques d’une région, les géologues parcourent les terrains en surface afin d’effectuer observations et opérations telles que :

  • L’identification des formations géologiques et des structures de surface (limites de couches, failles...) ;
  • Le prélèvement d’échantillons de roches ou de fluides, qui seront ensuite analysés en laboratoire ;
  • La mesure de certains paramètres physiques comme le magnétisme naturel du sol, la radioactivité naturelle ou la contrainte du terrain, c’est-à-dire les forces qui s’exercent sur celui-ci et peuvent le déformer.
Traçage colorimétrique dans un ruisseau aux alentours du CMHM

L’étude des eaux contenues dans les roches

Les campagnes de terrain permettent aussi l’étude et la surveillance des eaux contenues dans les roches, qui reposent sur plusieurs techniques et opérations :

  • Le repérage des sources et des puits et la surveillance de leur niveau et de leur débit ;
  • La pose de piézomètres : appareils qui mesurent le niveau de la nappe phréatique, grâce à des capteurs de pression et permettent de prélever des échantillons d’eau par pompage pour une éventuelle analyse ;
  • Le traçage colorimétrique : technique qui consiste à injecter une substance colorée dans une nappe aquifère et à identifier son point de sortie. En reconstituant son trajet on peut en déduire le parcours et la vitesse des écoulements des eaux souterraines.

L’observation à grande échelle

Ces observations de terrain peuvent être complétées par des techniques permettant une observation du milieu géologique à plus grande échelle (photographies aériennes, images satellites, etc.).

L’étude du sous-sol

Les géologues disposent d’une palette de procédés pour explorer en détail le milieu géologique. Les forages et les mesures géophysiques leur permettent de connaître la composition, la structure et les propriétés physiques des sous-sols, jusqu’à plusieurs kilomètres de profondeur.

Plate forme de reconnaissance géologique à proximité du LMHM

Les forages

Pour analyser le milieu géologique ou pour rechercher et exploiter des ressources naturelles comme l’eau ou le pétrole, on réalise des forages.

Ceux-ci sont des puits creusés dans le sol à l’aide de machines et d’équipements spécifiques. Si leur diamètre mesure quelques dizaines de centimètres au maximum, leur profondeur peut atteindre plusieurs milliers de mètres. Les forages permettent aux géologues de :

  • reconstituer l'empilement des couches géologiques traversées, afin d'obtenir une description en une dimension de la zone étudiée ;
  • accéder aux différentes couches géologiques pour prélever des échantillons de roches et de fluides qui seront ensuite analysés en laboratoire ;
  • mesurer au moyen de sondes les propriétés physiques de chacune des couches géologiques (radioactivité, porosité, conductivité électrique, etc.) ;
  • L’ensemble de ces observations et analyses donne une connaissance précise des différentes formations géologiques traversées par le forage et de leurs propriétés.
Campagne de reconnaissance sismique : arrivée des camions vibrateurs

Les mesures géophysiques

Pour élaborer une représentation plus précise du sous-sol, en deux ou trois dimensions, on complète les données fournies par les forages en faisant appel à une autre technique : la sismique réflexion.

Des camions spécifiques, appelés "camions vibrateurs", parcourent les terrains étudiés et provoquent des vibrations qui génèrent des ondes sismiques. Ces ondes traversent le sous-sol et se réfléchissent sur les différentes couches géologiques qu’elles rencontrent, avant de revenir vers la surface. Elles sont alors enregistrées par des géophones, petits récepteurs très sensibles.

Ainsi, les géologues ont accès à des profils sismiques qui constituent de véritables échographies du sous-sol qui nécessitent d'être complétés par des forages pour être interprétés. Pour construire une image en trois dimensions du milieu géologique, ils établissent ainsi des correspondances entre ces profils et les mesures effectuées en forage.

La technique de sismique 2D propose une coupe verticale des terrains. Il existe cependant une technique de sismique réflexion 3D qui permet d'obtenir un relevé précis du terrain directement en 3 dimensions. Cette technique est cependant beaucoup plus lourde à mettre en place sur le terrain.

Pour certains types de sous-sols, la technique de sismique réflexion n'est pas applicable (sols granitiques, couches géologiques peu profondes...). Les géologues réalisent alors des mesures de géophysiques dites légères. A l'aide d'équipements portables, la technique consiste par exemple à faire parcourir un courant électrique ou un champ magnétique à travers les terrains pour mesurer leurs propriétés physiques sur plusieurs dizaines de mètres de profondeur.

Une plate-forme de forage est un emplacement aménagé d'environ 50 x 60 mètres sur lequel sont disposés les machines de forage, les bungalows pour le matériel...A la fin des travaux, l'emplacement est réhabilité dans son état initial.
Grâce aux prélèvements d'échantillons de roches (carottes ou débris), les géologues peuvent reconstituer la succession verticale des couches géologiques.
Tête de forage. Grâce aux forages, les géologues peuvent prélever des échantillons de roches cylindriques appelés carottes.
Les échantillons de roches prélevés en forage sont conservés dans un bâtiment spécifique appelé "carothèque".
Les camions vibrateurs provoquent des vibrations qui donnent naissance à des ondes sismiques. Ces camions se déplacent le long de trajets prédéfinis au sein du secteur à étudier.
Les ondes générées par les camions vibrateurs se réfléchissent sur les différentes couches géologiques rencontrées.
Les profils sismiques montrent une alternance de lignes noires et blanches qui représentent des changements significatifs de propriétés physiques du milieu géologique. Les géologues visualisent ainsi la géométrie du sous-sol entre les forages.
A leur retour en surface, les ondes sismiques sont enregistrées par des petits récepteurs très sensibles, les géophones.
Modèle géologique simplifié en trois dimensions permettant de reconstituer la succession des couches sur plusieurs centaines ou milliers de profondeur au niveau de la zone étudiée.

La structure de la terre

Notre planète est une sphère légèrement aplatie aux pôles. Entre le sol qui se trouve sous nos pieds et le centre de la Terre, environ 6 300 km de matériaux constituent la croûte, le manteau et le noyau terrestres. Ces enveloppes successives diffèrent par leur composition chimique et par l’état des matériaux qui les composent. En surface, la croûte terrestre est divisée en une douzaine de plaques tectoniques très rigides et mobiles.

Une succession d’enveloppes

Protégée par une enveloppe gazeuse et recouverte d’eau sur une grande partie de sa surface, notre planète, d'un diamètre d'environ 12 700 km, est constituée d’un empilement d'enveloppes plus ou moins concentriques composées de différents matériaux.

 Une planète entourée de gaz et recouverte d’eau

Coupe des différentes couches de la Terre : croûte, manteau et noyau

La Terre est enveloppée d’une couche gazeuse jouant un rôle essentiel dans la préservation de la vie : l'atmosphère. Elle contribue à la régulation des températures, nous protège de certains rayonnements solaires et participe au cycle de l’eau. Notre atmosphère actuelle est composée à 78 % d’azote et à 21 % d’oxygène, mais aussi d’autres gaz comme le dioxyde de carbone, l’ozone et la vapeur d’eau, présents à l'état de traces. Par ailleurs, notre planète est recouverte d’eau sur presque 70 % de sa surface. L’ensemble des eaux présentes sur Terre se nomme l'hydrosphère (océans, mers, lacs, cours d’eau, glace, eaux souterraines).

La lithosphère, une enveloppe externe rocheuse et solide

Épaisse de 70 à 150 km, la lithosphère correspond à la croûte terrestre. Composée de roches rigides, elle possède une très grande résistance mécanique à la déformation et alterne entre  :

  • la croûte terrestre continentale composée de plusieurs types de roches : magmatiques, sédimentaires, métamorphiques. Son épaisseur moyenne est de 30 km et peut atteindre 70 km sous les chaînes de montagnes.
  • la croûte terrestre océanique qui constitue les fonds marins. Elle présente une épaisseur beaucoup plus faible que la croûte continentale : 6 km seulement. La croûte océanique est composée de laves basaltiques durcies formant le plancher océanique et de sédiments qui s'y déposent.

La lithosphère est divisée en plaques tectoniques, mobiles les unes par rapport aux autres.

L’asthénosphère, une enveloppe de roches souples

Comprise entre 100 et 350 km de profondeur, l’asthénosphère est une couche de roches en fusion partielle, elle est donc relativement molle. Elle représente la partie basse du manteau supérieur de la Terre.

L'enveloppe la plus épaisse de la Terre : la mésosphère

Région inférieure du manteau terrestre, la mésosphère s’étend entre 350 et 2 900 km de profondeur. Plus on s’enfonce dans les profondeurs de la Terre, plus les roches qui la composent deviennent denses.

Au cœur de la Terre : le noyau

Entre 2 900 et 6 300 km, le noyau constitue la partie centrale de la Terre, beaucoup plus dense que le manteau. Composé de nickel et de fer, il comprend deux parties :

  • le noyau externe qui est liquide,
  • le noyau interne ou graine, probablement solide.

Une perpétuelle évolution : la tectonique des plaques

Séismes, éruptions volcaniques, naissance des chaînes de montagnes… À l’échelle des temps géologiques comme à l’échelle humaine, les mouvements internes qui agitent continuellement la Terre ont des répercussions visibles à la surface. Élaborée dans les années 1960, la théorie de la tectonique des plaques décode l’ensemble de ces phénomènes.

Agitation et mobilité à la surface de la Terre : les plaques tectoniques en action

La couche superficielle de la Terre, ou lithosphère, est fragmentée en grandes plaques rigides qui recouvrent toute la surface de notre planète : les plaques tectoniques. Il existe une douzaine de plaques tectoniques, sept grandes et cinq plus petites. Une plaque tectonique peut être océanique ou continentale, ou encore les deux à la fois ; on dit alors qu’elle est mixte.

Sous l’écorce terrestre, l’asthénosphère est agitée de mouvements de convection. Soumises à cette activité, les plaques tectoniques se déplacent de quelques centimètres par an. Ainsi, elles se rapprochent ou s’écartent les unes des autres, entrent en collision ou en friction.

 

Les principales plaques tectoniques.

Les roches

Composantes essentielles de la croûte terrestre, les roches diffèrent par leurs caractéristiques physiques et chimiques et donc par leur aspect. Il existe différents types de roches. Au cours d’un cycle qui se déroule à l’échelle des temps géologiques, les roches magmatiques subissent l’érosion pour devenir des roches sédimentaires. À leur tour, sous l’effet de la chaleur et de la pression, ces roches sédimentaires sont enfouies progressivement et peuvent devenir des roches métamorphiques. Enfin, les roches métamorphiques peuvent retourner à l’état de magma si la température est telle qu'elles arrivent à la fusion.

Qu’est-ce qu’une roche ?

Composantes essentielles de la croûte terrestre, les roches présentent des aspects et des caractéristiques étonnamment variés. Formées de minéraux unis en structures parfois complexes, elles naissent et renaissent tout au long d’un cycle immuable.

Une croûte faite de roches

À l’exception des êtres vivants et partiellement des sols, tous les matériaux qui constituent la Terre sont des roches.

Quand deux plaques s’éloignent l’une de l’autre : la divergence

La divergence de deux plaques tectoniques peut provoquer deux phénomènes, selon la nature des plaques concernées :

  • Lorsque deux plaques continentales s’écartent, on assiste à l’apparition d’un rift. La croûte continentale est étirée de part et d’autre d’une gigantesque faille encadrée de fossés d’effondrement. Ce phénomène s’accompagne parfois de volcanisme dû à des remontées de magma,
  • Lorsque deux plaques océaniques s’écartent, on assiste à la naissance d’une dorsale océanique. Très active, cette zone volcanique sous-marine est le siège d’importantes remontées de magma. En s’accumulant, ce magma durcit et forme la croûte océanique par accrétion, ce qui engendre l’expansion des fonds océaniques.

Quand deux plaques se rapprochent l’une de l’autre : la convergence

La convergence des plaques tectoniques engendre séismes, volcanisme et formation de chaînes montagneuses, en fonction de la nature et de la taille des plaques qui entrent en contact :

  • Lorsque deux plaques océaniques convergent, la plus dense des deux s’enfonce sous la seconde : c’est la subduction. Il se crée alors un arc insulaire volcanique comme l’archipel du Japon, régulièrement touché par des séismes.
  • Lorsqu’une plaque océanique et une plaque continentale convergent, il y a également subduction : la plaque océanique plonge sous la plaque continentale car elle est plus dense que celle-ci. La compression des deux plaques provoque des séismes et donne naissance à une chaîne de montagnes affectée par un volcanisme explosif, comme la cordillère des Andes.
  • Lorsque deux plaques continentales convergent, on assiste à une collision. La plaque la moins dense se plisse : ce phénomène donne lieu à des séismes et débouche sur la formation de chaînes montagneuses (Himalaya, Alpes…).

Le coulissage des plaques tectoniques

Ce phénomène correspond au frottement de deux plaques tectoniques qui glissent parallèlement l’une contre l’autre. Il est responsable de séismes importants, comme ceux enregistrés en Californie le long de la faille de San Andreas.

Carotte d'argile dure du Laboratoire souterrain

Les roches peuvent être très différentes par leurs caractéristiques physiques et chimiques et donc par leur aspect. Dans l’écorce terrestre comme dans les paysages, on trouve des roches sous différentes formes et notamment :

  • des roches dures comme le granite,
  • des roches plastiques, comme les argiles qui changent d’aspect et de propriétés lorsqu’on y ajoute de l’eau,
  • des roches friables, comme la craie qui s’effrite sous la pression de l’ongle,
  • des roches meubles, comme le sable qui coule entre les doigts lorsqu’on le manipule,
  • des roches liquides, comme le pétrole qui est inflammable.
Vue au microscope d'un carotte d'argile

Des assemblages de minéraux plus ou moins complexes

L’observation d’une roche au microscope montre qu’elle est faite d’un assemblage d'éléments de différentes tailles, les minéraux. Chaque minéral possède une composition chimique précise qui le rattache à une grande famille. Constitués principalement d’atomes d’oxygène et de silice, les minéraux de la famille des silicates sont les plus répandus sur Terre : 90 % des roches en contiennent.

Certaines roches contiennent un seul type de minéral tandis que d’autres, plus complexes, en regroupent plusieurs. Dans tous les cas, leurs caractéristiques physiques et chimiques sont étroitement liées à celles du ou des minéraux qui les composent.

Rien ne se perd, tout se transforme : le cycle des roches

Matériaux composant l’écorce terrestre, les roches se forment et se recyclent tout au long d’un processus bien défini qui établit entre elles des liens de filiation. Ainsi, sous l’effet de l’érosion, le granite se désagrège en minéraux argileux et en sable, roches sédimentaires qui peuvent ensuite retourner à l’état de magma et donner naissance à de nouvelles roches éruptives, dont le granite.

Les différents types de roches

Les roches présentes sur Terre peuvent être d’origine magmatique, métamorphique ou sédimentaire. La manière dont elles se forment détermine leur appartenance à l’une ou l’autre de ces grandes familles.

Quand le magma devient roche…

La croûte terrestre et le manteau supérieur de la Terre sont soumis à des mouvements de convection engendrant des variations de température et de pression. Quand la chaleur et la pression augmentent à quelques dizaines de kilomètres sous la surface, les roches qui composent la lithosphère peuvent entrer en fusion partielle ou totale et se transformer en magma. En refroidissant, le magma se solidifie pour devenir une roche magmatique.

Il existe deux familles de roches magmatiques qui se forment dans des circonstances différentes :

  • Quand le magma remonte à la surface de la terre lors d'une éruption volcanique, sa solidification donne naissance à des roches volcaniques. La plus répandue est le basalte, une roche sombre, mate, dure, compacte et peu cristallisée.
  • Si le magma n’atteint pas la surface terrestre : il se cristallise en profondeur au sein de poches pouvant mesurer plusieurs dizaines de kilomètres. Au fil des millénaires, la cristallisation des magmas engendre des roches plutoniques. La plus répandue est le granite.

La genèse mouvementée des roches métamorphiques

L’écorce terrestre est agitée de mouvements qui débouchent localement sur la formation de montagnes. Ces mouvements affectent des couches rocheuses profondes en les soumettant à des contraintes de température et de pression. Chauffées et compressées, les roches changent de structure : leurs minéraux s’orientent différemment et l’on assiste à l’apparition d’autres types de minéraux. C’est ainsi que naissent de nouvelles roches, dites métamorphiques.

Les roches métamorphiques visibles dans nos paysages ont été soulevées jusqu’à la surface de la Terre par des mouvements internes. Peu à peu, l’érosion a dénudé les terrains qui les recouvraient, ce qui provoque leur affleurement. Certaines de ces roches, comme l’ardoise, le schiste ou le gneiss, sont exploitées dans des carrières et employées comme matériaux de construction.

Les roches sédimentaires, une formation lente et progressive

À la surface de la Terre, toutes les roches sont exposées à l’érosion : le vent et les écoulements d’eau les usent et en détachent de minuscules fragments et des substances chimiques.

Au fil du temps, ces éléments se déposent et s’accumulent à la surface des continents, dans le lit des cours d’eau, au fond des océans. C’est ainsi que naissent les roches sédimentaires. Celles-ci proviennent de différents types de sédiments. Ainsi :

  • les galets donnent des conglomérats,
  • les gros grains donnent des sables,
  • les petits grains donnent des silts,
  • les particules fines forment des argiles,
  • les substances dissoutes précipitent au fond et peuvent donner, selon leur nature chimique, des calcaires, des sels gemmes...

Dans la nature, les roches sédimentaires sont soumises à des phénomènes physico-chimiques qui les durcissent peu à peu. Le processus de consolidation d'une roche sédimentaire, nommé "diagenèse", comporte plusieurs phénomènes.

  • La compaction : les êtres vivants présents dans les sols, la pression due au poids de nouveaux sédiments qui se déposent, la déshydratation naturelle, font perdre principalement de l’eau
  • La cimentation : la déshydratation de la roche entrainent une forte concentration en éléments chimiques qui se cristallisent alors et cimentent les pores de la roche.
  • L’épigénisation et la recristallisation : lorsque les roches sont enfouies sous d’autres sédiments, elles subissent une augmentation de pression et de température. Certains minéraux voient leur structure modifiée. Quand les conditions physiques et chimiques évoluent, ces minéraux se réorganisent entre eux pour former d’autres roches.

Ainsi, par exemple, au cours de la diagenèse, les sables peuvent devenir des grès et les argiles peuvent se changer en marnes lorsqu'elles sont mélangées à du calcaire.

La géologie de la France

Façonné durant plusieurs centaines de millions d’années, le territoire français présente une grande richesse géologique. Un tiers de sa surface est occupé par le bassin de Paris, cuvette constituée d’un empilement de couches de roches sédimentaires.

 Le relief de la France

Le relief de la France s’organise en quatre grands types géologiques. On y trouve aussi bien des montagnes jeunes que des massifs anciens, des bassins sédimentaires et des fossés d’effondrement.

Des massifs anciens usés par l’érosion

Il y a 350 à 300 millions d’années, au cours de l’ère primaire, une immense chaîne de montagnes se forme dans toute l’Europe de l’Ouest : c’est la chaîne hercynienne. Après sa création, cette chaîne de montagnes s’érode peu à peu.

Au début de l’ère secondaire (- 250 millions d’années), les parties les plus usées de la chaîne hercynienne s’effondrent progressivement tandis que d’autres parties subsistent, formant de véritables îlots de relief. Ils constituent aujourd’hui les plus anciens massifs français, dont les plus grands sont :

  • le Massif central,
  • le Massif armoricain,
  • les Vosges,
  • les Ardennes.

Les bassins sédimentaires, véritables mille-feuilles rocheux

Les compartiments affaissés de l’ancienne chaîne hercynienne correspondent à l’emplacement actuel du bassin de Paris, du bassin aquitain et des Alpes. Tout au long de l’ère secondaire (- 250 à - 65 millions d’années), ces régions sont recouvertes quasiment en permanence par des mers.

Des sédiments s’accumulent peu à peu sur les fonds marins de ces bassins et forment des empilements de roches sédimentaires variées (grès, calcaires, gypses, marnes, sables, argiles,…). Chacune de ces couches nous révèle quels étaient les conditions climatiques et le relief de la région au moment où les sédiments se sont déposés dans le bassin.

Hautes altitudes et reliefs acérés : les montagnes jeunes

Alpes et Pyrénées sont les régions de montagne les plus jeunes de France puisqu’elles se sont formées durant l’ère tertiaire (- 65 à - 1,5 millions d’années). Toutefois, ces deux chaînes montagneuses n’ont pas la même histoire.

  • Les Pyrénées sont apparues dès le début de l'ère tertiaire (- 65 millions d'années) par déplacement du bloc ibérique, composé de l’Espagne et du Portugal. Ce bloc est entré en collision avec la plaque européenne en opérant une rotation, ce qui a donné naissance à une nouvelle chaîne de montagnes qui s'est superposée à une chaîne hercynienne érodée.
  • Les Alpes résultent du bassin sédimentaire qui existait dans le Sud-Est de la France durant l’ère secondaire. Occupé par un océan, ce bassin est coincé entre la plaque européenne et une autre plaque tectonique, qui se détache peu à peu de l’Afrique pour former la péninsule italienne. La collision de ces deux plaques a provoqué la fermeture de l’océan Alpin, le plissement puis le soulèvement des roches sédimentaires du bassin, ce qui a fait naître une nouvelle chaîne montagneuse il y a environ entre 40 et 20 millions d'années.

Également jeune d’un point de vue géologique, le Jura n’est pas une vraie chaîne de montagnes : il s’agit d’un simple plissement de roches légèrement surélevées, situé dans une zone de transition tectonique entre les Alpes et la Bourgogne.

Les fossés d’effondrement, vestiges d’une intense activité tectonique

Les mouvements tectoniques peuvent aussi créer des fossés d’effondrement. Au fil du temps, ces fossés se remplissent de sédiments détachés de leurs bordures ou charriés par les cours d’eau qui les traversent. En France, il existe des fossés d’effondrement dans l’Est ainsi que dans le Nord du Massif central.

Fossile de fougère du Jurassique supérieur

Comment les fossiles se forment-ils ?

Les fossiles découverts ne représentent qu’une infime partie des organismes et des espèces ayant vécu sur Terre. En effet, la fossilisation n’advient que dans certaines conditions :

  • l’organisme mort doit être rapidement protégé des micro-organismes qui pourraient le détruire, grâce à une couche de sédiments ;
  • les sédiments formant cette enveloppe protectrice doivent être assez fins et légers pour ne pas dégrader l’organisme mort ;
  • cet organisme doit être suffisamment dur pour résister au temps.

Ainsi, les fonds marins boueux ou les vases constituent un environnement favorable à la fossilisation, et les animaux à coquille se fossilisent plus facilement que les organismes mous. Pour que ces derniers deviennent fossiles, leur enfouissement doit être assuré par des sédiments très fins. Des insectes ont ainsi été piégés et conservés dans la résine qui, avec le temps, s’est transformée en ambre.

Lorsque ces circonstances sont réunies, le processus de minéralisation peut débuter. Une restructuration minéralogique et/ou des échanges chimiques se mettent en place entre les restes animaux ou végétaux et les roches qui les enveloppent. Atome par atome, la matière minérale des roches sédimentaires remplace la matière organique de l’animal ou du végétal emprisonné dans ces roches, tandis que la forme et la structure de l’organisme sont préservées. Ainsi, le bois fossilisé que nous retrouvons aujourd’hui n’est pas en bois : il est en silice !

Peu à peu, les mouvements de l’écorce terrestre ramènent les fossiles à la surface de la Terre et l’érosion les met à nu, augmentant leurs chances d’être retrouvés par des paléontologues.

Des repères chronologiques inestimables pour les géologues

Depuis que la vie est apparue sur Terre, les êtres vivants n’ont cessé d’évoluer pour s’adapter à leur environnement et de nouvelles espèces sont nées. La recherche scientifique a permis de reconstituer les maillons de la chaîne du vivant et d’établir des rapports de "cousinage" entre les groupes d’espèces (bactéries, invertébrés, poissons, amphibiens, reptiles, mammifères, hominidés). En étudiant le devenir des espèces animales et végétales de leur apparition à leur extinction, les géologues ont réussi à établir la chronologie des événements qui ont affecté notre planète durant les ères passées.

Reconstituer l'histoire géologique

Depuis sa création il y a environ 4,5 milliards d’années, la Terre est naturellement changeante. Séismes, éruptions volcaniques, formation de chaînes montagneuses, glaciations, variations du niveau des mers, extinctions et apparition d’espèces vivantes, sont autant de jalons d’une longue histoire qui continue sous nos yeux. Les géologues bénéficient de différentes techniques leur permettant de dater les roches et de reconstituer ainsi l'histoire du milieu géologique.

Fossiles : empreintes du temps

Animaux ou végétaux, conservés au cœur de la roche pendant des millions d’années, les fossiles nous racontent l’histoire de la Terre. Pour les géologues et les paléontologues, ils représentent un outil de travail aussi précieux qu’exceptionnel : rares sont les fossiles qui ont pu parvenir jusqu’à nous…

Qu’est-ce qu’un fossile ?

Au cœur d’une roche, les paléontologues trouvent parfois les restes transformés en pierre d’animaux ou de végétaux ayant vécu plusieurs millions d’années avant leur découverte : il s’agit de fossiles.

Dans certains cas, l’organisme s’est totalement décomposé et la roche en a gardé une simple empreinte. Ainsi, on les fossiles peuvent être :

  • des restes d’organismes animaux ou végétaux pétrifiés, complets ou fragmentaires, tels que coquilles, dents ou ossements,
  • des empreintes portées dans la roche d’animaux ou de végétaux,
  • par extension, toute trace d’activité due à des êtres vivants et conservée dans les couches géologiques (silex taillés par des hommes préhistoriques, pistes ou terriers d’animaux disparus),
  • des molécules organiques.

Les fossiles les plus répandus sont ceux que nous ne voyons pas à l’œil nu. Par exemple, la craie est composée de fragments microscopiques de coquilles fossilisées, les coccolites, visibles au microscope électronique.

Fossile de corail (Pseudocoenia)

L’ensemble de ces découvertes ont pu être faites grâce aux fossiles. En effet, ils sont de véritables outils de travail pour les géologues.

  • Les fossiles de faciès et les sédiments dans lesquels ils se trouvent permettent de reconstituer le contexte paléogéographique d’une région donnée. Par exemple, les coraux vivent en colonies dans un habitat particulier (mer chaude, aérée, peu profonde). Leurs conditions de développement ont peu évolué au cours des ères passées. Aussi, lorsqu’on retrouve des fossiles de coraux, on en déduit que la région était recouverte d’une mer de ce type au moment où se sont déposés les sédiments.
  • Les fossiles stratigraphiques aident les géologues à connaître l’âge relatif des roches sédimentaires qui les abritent. Par exemple, les ammonites ont vécu durant l’ère secondaire avant de disparaître ; c’est pourquoi la présence de tel type d’ammonite prouve que la couche dans laquelle elles se trouvent s’est déposée à une époque précise. Plusieurs fossiles animaux ou végétaux sont ainsi caractéristiques d’une période géologique donnée. Ils permettent de dater, les unes par rapport aux autres, les couches sédimentaires dans lesquelles on les retrouve, même en deux endroits différents de la planète.

Radioactivité : un marqueur du temps

En utilisant la radioactivité présente naturellement sur Terre depuis sa création et sur la décroissance naturelle des atomes radioactifs au fil du temps, les géologues peuvent dater les terrains. C’est la technique de la datation radiométrique. La plus connue est sans doute la datation au carbone 14, utilisée pour les périodes récentes, en archéologie notamment, mais il en existe bien d’autres.

Une question de physique

La radioactivité permet aux géologues de dater les terrains en s’appuyant sur la décroissance naturelle des radionucléides présents dans les roches.

Chaque radionucléide se désintègre et perd  sa radioactivité selon une durée bien définie, propre à chacun, qui dépend de ce que l’on appelle leur période radioactive. Ainsi au bout d’une période radioactive, une quantité d’un même radionucléide aura perdu la moitié de sa radioactivité.

Par exemple, le tritium a une période de 12,8 ans. Sur un échantillon de 3 grammes de tritium, il n’en restera que la moitié, soit 1,5 grammes, au bout de cette période... soit un niveau de radioactivité divisé par deux.

Une méthode à remonter le temps

Les radionucléides se désintégrant à une vitesse constante. Ainsi, chaque année, une quantité précise de ces d’atomes radioactifs disparait. Grâce aux nombreuses études et recherches menées en physique depuis la découverte de la radioactivité en 1896, on connaît la période radioactive des radionucléides et leur vitesse de désintégration. Il est alors possible de remonter le temps et de calculer ainsi l’âge "absolu" de roches ou d'autres objets.

La datation des roches

Pour dater les terrains, les géologues utilisent les radionucléides présents naturellement dans les roches. Par exemple, l’uranium 235 se désintègre et se transforme en plomb 207. Il faut exactement 710 millions d’années pour que la moitié des atomes d’uranium 235 contenus dans une roche se change en plomb 207, puis encore 710 millions pour qu’une nouvelle moitié se transforme. Et ainsi de suite, jusqu’à disparition totale de l’uranium 235…

Connaissant la proportion de tel ou tel radionucléides dans les échantillons actuels, on déduit l’âge de la roche.

L’histoire de la terre

Tout comme le système solaire auquel elle appartient, notre planète est âgée d'environ 4,5 milliards d’années. Issue d’une énorme boule de gaz et de poussières originelles, elle a vu naître la vie voici environ 3,5 milliards d’années. Son histoire mouvementée se poursuit aujourd’hui, comme en témoignent séismes et éruptions volcaniques.

La formation du système solaire

Le système solaire provient d’une gigantesque masse de gaz et de poussières tournoyant sur elle-même. Au sein de cet immense nuage gazeux, la concentration de gaz et de poussières donne naissance à un protosoleil, ancêtre de notre Soleil. Dans le même temps, l’ensemble du nuage s’aplatit pour former un disque de 30 milliards de kilomètres de diamètre, préfigurant le futur système solaire.

Cette nébuleuse originelle est constituée :

  • d’hydrogène (90 %) ;
  • d’hélium (9,5 %) ;
  • de fer, nickel, silicium, aluminium et oxygène. Avec d’autres éléments présents à l’état de traces, ces cinq éléments ne représentent que 0,5 % de la nébuleuse. Pourtant, ce sont aujourd’hui les principaux composants de notre planète !

Au sein de la nébuleuse, d’autres masses de poussières s’agglutinent pour former des protoplanètes, plus ou moins éloignées du protosoleil.

La formation de la Terre

Dans le système solaire en formation, l'ancêtre de notre planète se concentre de plus en plus. L'énergie due aux percussions avec des comètes et des astéroïdes, et celle libérée par les éléments radioactifs qu'elle contient, engendrent de la chaleur.

  • les éléments les plus lourds (fer et nickel) migrent vers le centre de la proto-Terre pour constituer son noyau ;
  • les éléments les moins lourds (silicium, aluminium, oxygène, magnésium) se retrouvent à l’extérieur du noyau, préfigurant le futur manteau terrestre ;
  • les éléments légers constituent une première atmosphère riche en hydrogène, hélium, ammoniac et méthane.

Alors que le cœur de la Terre reste en fusion, sa surface refroidit lentement et se durcit jusqu’à devenir une enveloppe rocheuse solide. Cette enveloppe est parcourue de très nombreuses fissures qui laissent s’épancher un magma chaud et liquide. Les éruptions volcaniques permanentes libèrent beaucoup de vapeur d’eau qui vient enrichir l’atmosphère.

Pendant ce temps, de la vapeur d’eau se condense sur la surface terrestre en plein refroidissement : ces premières "flaques" annoncent les océans.

La violence des phénomènes, l’agressivité de l’atmosphère et des températures empêchent encore l’apparition de la vie à la surface de la Terre. Pour la voir naître, il faut attendre un peu plus d’un milliard d’années.

Une histoire commencée il y a environ 4,5 milliards d’années…

Évolution des êtres vivants, surrection des chaînes de montagnes, naissance des océans, avancée ou retrait des mers, représentent autant de points de repère qui jalonnent l’histoire de la Terre. Aujourd'hui, éruptions volcaniques et séismes témoignent toujours de l’activité terrestre.

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