À la recherche du passé géologique de notre planète

Sur une coupe, on observe de bas en haut les couches sédimentaires horizontales A, B et C. Un filon de granite G traverse A, B et C. Une faille normale F décale à la fois A, B, C et le filon G. Enfin, une couche D repose horizontalement et scelle (recouvre sans être décalée) la faille F. Établir la chronologie des six événements (A, B, C, G, F, D) en justifiant par un principe à chaque étape.

1. 1) Dépôts sédimentaires A, B, C

   Par le principe de SUPERPOSITION (série horizontale non déformée), les couches se sont déposées du bas vers le haut : A est la plus ancienne, puis B, puis C. Ordre : A < B < C.

2. 2) Mise en place du filon G

   Le filon G RECOUPE A, B et C : par le principe de RECOUPEMENT, il leur est postérieur. Il s'est donc mis en place après le dépôt de C. Ordre : A < B < C < G.

3. 3) Jeu de la faille F

   La faille F décale à la fois A, B, C ET le filon G : par RECOUPEMENT, F est postérieure à tout ce qu'elle décale, donc postérieure à G. Ordre : A < B < C < G < F.

4. 4) Dépôt de la couche D

   La couche D recouvre la faille F sans être décalée : F s'arrête sous D. Par SUPERPOSITION et RECOUPEMENT (D scelle F), D est postérieure à F. Le dépôt de D suppose une érosion préalable de la surface (lacune / discordance).

Résultat : Chronologie complète : dépôt de A, puis B, puis C (superposition) → intrusion du filon G (recoupement) → jeu de la faille F (recoupement) → érosion → dépôt de la couche D qui scelle la faille (superposition). Ordre : A < B < C < G < F < D.

On date la cristallisation d'un granite par la méthode rubidium-strontium. Les minéraux de la roche s'alignent sur une droite isochrone de pente $p = 0{,}047$. La constante radioactive du rubidium 87 vaut $\lambda = 1{,}42\times10^{-11}\ \mathrm{an^{-1}}$. 1) Rappeler la relation entre la pente et l'âge. 2) Calculer l'âge de cristallisation. 3) Préciser la condition pour que cet âge soit fiable et justifier le choix du couple Rb-Sr.

1. 1) Relation pente / âge

   L'équation de l'isochrone est $\frac{^{87}Sr}{^{86}Sr} = \left(\frac{^{87}Sr}{^{86}Sr}\right)_0 + (e^{\lambda t}-1)\frac{^{87}Rb}{^{86}Sr}$. La pente vaut donc $p = e^{\lambda t}-1$, d'où en isolant le temps : $t = \frac{1}{\lambda}\ln(1+p)$.

2. 2) Calcul de l'âge

   On remplace : $\ln(1+0{,}047) = \ln(1{,}047) \approx 0{,}0459$. Puis $t = \dfrac{0{,}0459}{1{,}42\times10^{-11}} \approx 3{,}23\times10^{9}\ \mathrm{ans}$, soit environ 3,2 milliards d'années.

3. 3) Condition de validité et choix du chronomètre

   L'âge n'est celui de la cristallisation que si le système est resté CLOS depuis : aucun minéral n'a gagné ni perdu de $^{87}Rb$ ou de $^{87}Sr$ (pas d'altération, pas de métamorphisme ayant rouvert le système), ce que confirme le bon alignement des points. Le couple Rb-Sr (demi-vie ~49 milliards d'années) est adapté car son ordre de grandeur dépasse l'âge recherché (quelques milliards d'années) : une partie significative — mais pas la totalité — du $^{87}Rb$ s'est désintégrée, ce qui rend la mesure possible (le carbone 14 serait totalement épuisé).

Résultat : L'âge de cristallisation du granite est $t \approx 3{,}2\times10^{9}$ ans (≈ 3,2 milliards d'années), valeur fiable car le système est resté clos (alignement des minéraux) et le couple Rb-Sr, à très longue demi-vie, est adapté à un âge de l'ordre du milliard d'années.

Un granite est daté par deux méthodes indépendantes. La datation U/Pb sur zircons donne 320 millions d'années ; la datation K/Ar sur biotites donne 295 millions d'années. On admet, pour ce type de roche, une température de fermeture de l'ordre de 900 °C pour le zircon en U/Pb et de l'ordre de 300 °C pour la biotite en K/Ar. 1) Expliquer pourquoi les deux âges diffèrent. 2) Dire ce que date chacune des deux mesures. 3) Estimer la vitesse moyenne de refroidissement du massif entre les deux fermetures.

1. 01Écarter l'hypothèse de l'erreur de mesure

   Deux chronomètres ne mesurent pas le même instant. Chaque couple minéral-chronomètre a sa propre température de fermeture : au-dessus, l'élément fils diffuse et s'échappe ; au-dessous, il s'accumule. Le zircon ferme très haut (ici de l'ordre de 900 °C), la biotite beaucoup plus bas (de l'ordre de 300 °C). Un massif qui refroidit franchit donc les deux seuils à deux moments distincts, et un écart d'âges est le comportement ATTENDU, pas une anomalie.

2. 02Attribuer chaque date à un événement

   Le magma cristallise à haute température : les zircons se forment et ferment presque aussitôt. Les 320 millions d'années datent donc la CRISTALLISATION du granite. La biotite, elle, ne retient son argon qu'une fois la roche descendue sous 300 °C environ, ce qui arrive bien plus tard, pendant que le massif se refroidit et est exhumé par l'érosion. Les 295 millions d'années datent ce PASSAGE SOUS 300 °C, pas la mise en place.

3. 03Chiffrer la vitesse de refroidissement

   On dispose de deux points du refroidissement : la roche était à la température de fermeture du zircon lors de la première date, à celle de la biotite lors de la seconde. La vitesse moyenne cherchée est donc le rapport de l'écart de température à la durée écoulée entre les deux fermetures. Le résultat s'exprime commodément en degrés par million d'années, l'unité de temps du géologue.

   $$v = \dfrac{\Delta T}{\Delta t} = \dfrac{900 - 300}{320 - 295} = \dfrac{600}{25} = 24\ ^\circ\mathrm{C}\ \mathrm{Ma^{-1}}$$

Résultat : Le granite a cristallisé il y a 320 millions d'années (U/Pb sur zircon, fermeture haute) et est passé sous 300 °C il y a 295 millions d'années (K/Ar sur biotite, fermeture basse) : le massif a refroidi d'environ 24 °C par million d'années. L'écart entre les deux dates n'invalide aucune des deux — il mesure l'histoire thermique de la roche entre sa mise en place et son exhumation.

Dans les Alpes, on décrit une succession comprenant, de bas en haut : péridotites (souvent serpentinisées), gabbros, basaltes en coussins, puis radiolarites (sédiments siliceux d'origine océanique). 1) Nommer cette association. 2) Justifier roche par roche son origine océanique. 3) Que révèle sa présence actuelle sur le continent ?

1. 1) Nature de l'objet

   Cette association ordonnée péridotite → gabbro → basalte (± pillow, ± sédiments) reproduit la structure verticale d'une lithosphère océanique : c'est une OPHIOLITE.

2. 2) Justification roche par roche

   Les péridotites correspondent au MANTEAU supérieur ; les gabbros, grenus, sont du magma basaltique cristallisé LENTEMENT en profondeur (croûte inférieure) ; les basaltes en coussins (pillow-lavas) sont des laves épanchées SOUS L'EAU et refroidies brutalement (croûte supérieure) ; les radiolarites sont des sédiments siliceux déposés au fond d'un OCÉAN. Gabbros et basaltes ont la même chimie (basaltique) mais des textures différentes selon la vitesse de refroidissement.

3. 3) Interprétation historique

   Cette lithosphère océanique n'a pas été subduite mais charriée (obductée) sur le continent : il a donc existé un OCÉAN (la Téthys alpine) qui s'est ensuite REFERMÉ. L'alignement de ces ophiolites matérialise la SUTURE entre les deux blocs continentaux entrés en collision pour former les Alpes.

Résultat : Il s'agit d'une ophiolite : la succession péridotite-gabbro-basalte (pillow) coiffée de sédiments océaniques prouve qu'il s'agit d'un fragment de lithosphère océanique. Sa présence sur le continent atteste l'existence puis la fermeture d'un océan (la Téthys), dont la suture marque la zone de collision alpine.

Dans une chaîne, on relève cinq indices : (A) blocs basculés à failles normales scellés par des sédiments ; (B) ophiolites alignées ; (C) schistes bleus à glaucophane ; (D) grands chevauchements et racine crustale (sismique) ; (E) surface d'érosion exhumant des roches métamorphiques profondes. 1) Associer chaque indice à un stade du cycle de Wilson. 2) Reconstituer la chronologie et la justifier.

1. 1) Association indice → stade

   (A) failles normales et marge passive → stade d'OUVERTURE (rifting/extension). (B) ophiolites → existence d'un DOMAINE OCÉANIQUE (lithosphère océanique). (C) schistes bleus à glaucophane (HP-BT) → SUBDUCTION (enfouissement froid lors de la fermeture). (D) chevauchements + racine crustale → COLLISION (raccourcissement, épaississement, isostasie). (E) érosion → DÉMANTÈLEMENT final de la chaîne.

2. 2) Ordre chronologique

   Le cycle impose : ouverture (A) → océan (B) → subduction/fermeture (C) → collision (D) → érosion (E). Les failles normales (extension) sont nécessairement antérieures aux chevauchements (compression) ; l'ophiolite (océan) précède la collision ; les schistes bleus (subduction) sont antérieurs à l'empilement des nappes de la collision. La chronologie relative (recoupement : les chevauchements recoupent les structures plus anciennes) et la datation absolue (âge des ophiolites, du métamorphisme HP, des intrusions) confirment cet ordre.

3. 3) Synthèse (cycle de Wilson)

   On reconstitue ainsi l'histoire complète : rifting et formation d'une marge passive → ouverture d'un océan (dorsale, plancher océanique futur ophiolite) → subduction qui referme l'océan (métamorphisme HP, schistes bleus) → collision des deux continents (plis, chevauchements, épaississement, racine crustale) → érosion qui démantèle la chaîne et exhume les roches profondes.

Résultat : Chronologie : A (ouverture) → B (océan) → C (subduction) → D (collision) → E (érosion). Chaque indice de terrain renvoie à un stade du cycle de Wilson, et l'ordre — ouverture, subduction, collision, érosion — est imposé par l'opposition extension/compression et confirmé par la chronologie relative et la datation absolue.