Évolution géologique

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Évolution géologique

La connaissance de la position relative des différentes formations rocheuses est le principe fondamental qui mène à l'ordonnance des événements qui se sont succédés au cours de l'évolution de la Terre. Ainsi, dans les séquences de roches stratifiées, les couches les plus récentes se superposent aux couches les plus anciennes. De la même façon, les ROCHES SÉDIMENTAIRES stratifiées renfermant des intrusions de ROCHES IGNÉES sont plus anciennes que le magma qui s'y est introduit. L'étude du rapport de position des roches permet au géologue d'établir la séquence relative des événements. C'est la base même de toute interprétation de l'évolution géologique. Elle permet, au XIX^e siècle, d'élaborer une chronologie relative appuyée sur des séquences de fossiles qui fournissent également des éléments à la théorie de l'ÉVOLUTION.

À la fin du XVIII^e siècle, James Hutton apporte une contribution importante à la compréhension de l'âge des roches en soutenant la théorie de l'actualisme qui postule que les lois régissant les phénomènes géologiques actuels étaient également valables dans le passé. Cette théorie suppose que l'on se fonde sur les phénomènes, les mesures et les produits géologiques actuels pour interpréter l'histoire des roches. Sur une grande échelle, trois phénomènes géologiques présentent des modifications systématiques indispensables à l'élaboration d'une chronologie des temps géologiques : l'évolution de la vie, la désintégration radioactive des isotopes instables et le paléomagnétisme des roches et des minéraux.

Les premières tentatives d'interprétation de l'évolution de la Terre sont axées sur des types de roches bien précis, les roches ignées cristallines étant tenues pour anciennes et les roches sédimentaires pour plus jeunes. Toutefois, l'identification de FOSSILES distincts dans les roches plus récentes permet de faire de rapides progrès. La plupart des grandes divisions du phanérozoïque (du grec, signifiant « vie visible », expression qui désigne une période s'étendant sur les dernières 570 millions d'années) sont déterminées au XIX^e siècle et fondées sur les fossiles que renferment les couches correspondantes.

Le cambrien, le permien, le trias et la plupart des autres divisions du phanérozoïque servent, avant 1900, à désigner des roches et des périodes riches en certains organismes. L'identification des ères et des périodes géologiques permet d'effectuer une datation relative des roches en partant de subdivisions locales fondées sur la position des couches pour aboutir à une datation régionale, puis mondiale. Néanmoins, la chronologie des temps géologiques demeure relative.

Le calibrage de la chronologie géologique établie au XIX^e siècle doit attendre deux réalisations majeures du XX^e siècle : la découverte de la radioactivité naturelle et la mise au point d'instruments pouvant la mesurer de manière précise (voir DATATION GÉOLOGIQUE). Les techniques radiométriques de datation ont permis ce calibrage et sont indispensables à la subdivision de la longue ère précambrienne, dépourvue de fossiles à carapace dure.

Les ères géologiques

Le précambrien occupe approximativement cinq sixièmes des temps géologiques et a pris fin il y a environ 570 millions d'années. On sait peu de choses sur cette ère si on la compare avec le phanérozoïque (dernières 570 millions d'années), en grande partie conservé et qui comprend la plupart des fossiles.

Le nom des trois ères qui composent ce dernier, paléozoïque (ancien et zôon qui veut dire « animal » en grec), mésozoïque (moyen) et cénozoïque (nouveau), s'inspire de la ressemblance des fossiles avec les êtres vivants actuels.

Chaque ère est caractérisée par des êtres vivants bien précis qui servent à identifier les roches du phanérozoïque dans le monde entier. Les arthropodes et les coraux à squelette externe qui vivaient dans les océans du paléozoïque cèdent la place aux REPTILES marins du mésozoïque et plus particulièrement aux DINOSAURES qui vivent sur la Terre. Ceux-ci sont à leur tour remplacés au cénozoïque par les MAMMIFÈRES, animaux à sang chaud et mieux adaptés au milieu.

Les Rocheuses sont l'une des grandes vitrines de roches sédimentaires datant du paléozoïque inférieur et moyen (voir BURGESS, SITE DES SCHISTES DE). Les îles de l'Extrême-Arctique renferment des roches du paléozoïque supérieur. Le bassin sédimentaire des Prairies, les îles du Nord de l'Arctique et le plateau continental de la façade atlantique contiennent de vastes séquences datant du mésozoïque (voir BADLANDS; RECHERCHE DE DINOSAURES DANS L'OUEST CANADIEN) et, dans l'ARCHIPEL ARCTIQUE et sur le plateau continental au large des PROVINCES ATLANTIQUES, du cénozoïque.

Les roches du précambrien sont si vieilles et si pauvres en fossiles qu'il est difficile de subdiviser cette ère avec précision. Cependant, depuis peu, on le fait avec beaucoup de précision (normalement avec une marge d'erreur de deux millions d'années à quatre millions d'années dans le cas de roches ayant jusqu'à trois milliards d'années) grâce à une récente technique de datation à l'uranium et au plomb des isotopes-mères et des isotopes-filles de ces éléments, emprisonnés dans de minuscules cristaux de zircon. Les datations au zircon sont aujourd'hui la norme pour déterminer avec précision l'évolution géologique du précambrien.

Au fil du temps, il se produit des changements globaux importants dans la nature des roches. Les roches archéennes, celles qui ont plus de 2,5 milliards d'années environ, composent généralement des zones de roches volcaniques (roches vertes) entourées de masses granitiques. La province structurale du Supérieur, du BOUCLIER canadien, est le plus grand affleurement d'âge archéen du monde et l'un des mieux connus.

Les roches du protérozoïque abondent également sur le Bouclier et ont entre 570 millions d'années et 2,5 milliards d'années. Elles adoptent un air plus familier. On peut distinguer de longues séquences sédimentaires continentales et marines de même que des zones montagneuses rappelant les zones montagneuses actuelles sur la marge des continents.

On ne sait pas si la tectonique des plaques jouait à l'archéen, mais on pense qu'il existait des plaques lithosphériques au protérozoïque. Cette hypothèse s'appuie sur la grande ressemblance qu'il y a entre la zone de Wopmay, datant du protérozoïque, dans la région des Esclaves sur le Bouclier, et les zones montagneuses récentes.

Perfectionnement du calibrage de la chronologie géologique

Techniques modernes
Au XX^e siècle, les techniques de datation isotopiques se développent et se perfectionnent. Elles permettent aussi de perfectionner le calibrage de la chronologie géologique, y compris celui de l'ère du phanérozoïque. Ces dernières années, la mesure du champ magnétique de la Terre, troisième phénomène géologique marqué par des changements systématiques, contribue de plus en plus au calibrage de la chronologie géologique et à la résolution de problèmes de nature géologique. Depuis plusieurs années déjà, on sait que le champ magnétique a subi plusieurs inversions dans le passé. La découverte du patron de ces inversions dans l'histoire de la Terre procure un nouvel outil de datation des phénomènes géologiques. De laborieuses études effectuées ces dernières décennies ont permis de mettre au point un système de calibrage perfectionné des séquences de polarités normale et inverse pour la période s'étendant d'aujourd'hui remontant jusqu'au milieu du mésozoïque, il y a 160 millions d'années environ.

Trois techniques permettent le calibrage perfectionné de la chronologie géologique : la biostratigraphie, reposant sur le registre fossile; la datation radiométrique de matériaux appropriés, y compris les nappes de cendres volcaniques; et l'étude des inversions magnétiques. Les inversions du champ magnétique de la Terre au cours des temps géologiques sont inscrites dans de minuscules cristaux de minéraux magnétiques qui ont conservé leur polarité d'origine. Depuis le temps des dinosaures au crétacé le plus récent, il y a 66,4 millions d'années, on compte 58 inversions magnétiques majeures, ou en moyenne une inversion à chaque million d'années et plus.

Comme chaque inversion magnétique ne représente qu'un moment dans l'évolution géologique, et qu'elle se produit à l'échelle de la Terre entière, elle fournit aux géologues une série d'étalons chronologiques universels, un outil inestimable pour mieux comprendre l'évolution de la Terre. Néanmoins, chaque période géologique caractérisée par des pôles magnétiques comme ceux d'aujourd'hui (polarité normale), ou dirigés en sens contraire (polarité inversée), n'est pas en soi unique. Les empreintes individuelles laissées par les temps géologiques de polarité « normale » ou « inversée » se ressemblent et se comparent au temps géologique enregistré par une série de zéro et de un. Le problème que pose l'application des changements de polarité aux problèmes de temps est qu'il faut trouver un moyen de reconnaître les zéro et les un individuels.

Il existe deux méthodes pour résoudre le problème. On sait que la durée entre les polarités individuelles varie fortement. À certains moments de l'évolution, la polarité est demeurée très stable, tandis qu'à d'autres moments, elle a subi des inversions fréquentes. On peut déterminer de façon très plausible l'âge d'un profil topographique inscrit dans la roche d'une région donnée en comparant celui-ci avec un profil standard de polarité.

L'autre méthode consiste à superposer sur le profil des inversions magnétiques l'âge absolu déterminé par la datation radiométrique, les données de l'âge relatif obtenues à partir du registre fossile, ou les deux types de données relatives à l'âge. Chacune de ces méthodes de datation enregistre le temps géologique de manière unidirectionnelle, bien qu'un peu imprécise. Elles permettent cependant de différencier une série de zéro et d'une série de un.

Événement survenu au contact du crétacé et du tertiaire

La méthode multidisciplinaire servant à mesurer les temps géologiques de façon précise et universelle s'applique à la période du contact entre le crétacé et le tertiaire (C/T), période connue en raison de sa coïncidence avec l'extinction des dinosaures. En comparant cette période de bouleversements biologiques à un étalon mondial, on conclut qu'elle survient durant un important intervalle d'inversion du champ magnétique, soit le 29^e calculé à partir d'aujourd'hui. Ces événements sont inscrits dans les roches du bassin occidental du Canada où est établie une chronologie multidisciplinaire très précise.

Cette chronologie repose sur le registre fossile des bouleversements biologiques du C/T illustrés par une végétation différente ou par des changements globaux de la flore, sur l'âge absolu (en millions d'années) des minéraux d'origine volcanique et sur un registre très détaillé du champ magnétique.

La chronologie des inversions du champ magnétique terrestre établit de façon précise qu'un court intervalle (50 000 ans) de polarité normale (N) chevauche le contact C/T à l'intérieur de la 29^e inversion (d'une durée de 500 000 ans). Ensemble, ces événements constituent quatre niveaux étalons chronologiques marquant : le passage de la partie inférieure de la 29^e inversion au court intervalle N; le contact C/T, un niveau aux caractéristiques physiques et paléontologiques bien définies; le passage du court intervalle N à la partie supérieure de la 29^e inversion; et le passage de la partie supérieure de la 29^e inversion à un intervalle N et à une flore appartenant au paléocène.

Cette division détaillée et précise du temps géologique, obtenue avec certitude à partir de ces différents types d'information, constitue un outil essentiel pour trouver réponse à une question fondamentale de l'évolution géologique. Quelles sont les relations de cause à effet entre les changements biotiques de la Terre et l'événement physique survenu à la rencontre du C/T, événement que de nombreux scientifiques attribuent à une collision entre un corps d'origine extra-terrestre et la Terre? Le même principe s'applique aussi bien à plusieurs autres problèmes de nature géologique.

Techniques modernes

Depuis les années 60, l'accord qui s'est fait sur la théorie de la tectonique des plaques, a suscité un intérêt marqué pour la reconstitution détaillée de l'écorce terrestre au cours des temps géologiques. Les scientifiques canadiens sont des chefs de file dans ce domaine. Ils s'intéressent depuis très longtemps à la géologie régionale dans un pays où la géologie est diversifiée et fort complexe : énorme bouclier précambrien, vaste plateau sédimentaire de l'intérieur, chaînes de montagnes aux marges est, ouest et nord du continent et séquences sédimentaires de marges continentales bien développées.

Leur travail dépend essentiellement du perfectionnement des subdivisions et des méthodes de datation des roches au moyen d'études paléontologiques, de la datation radiométrique, de la chronologie par inversion magnétique et d'autres méthodes. Ainsi, le choix de terrains de qualité pouvant servir de normes ou de points de référence pour les temps géologiques (par exemple, le dévonien) est essentiel. Les spécialistes du gouvernement, ceux de la COMMISSION GÉOLOGIQUE DU CANADA en particulier, jouent un rôle important dans l'étude géologique des régions, surtout des régions isolées du Nord du Canada (voir RÉGIONS GÉOLOGIQUES; TECTONIQUE DES PLAQUES).