Reconstitution de paléoenvironnements

Lire dans les roches et les fossiles les conditions climatiques et géographiques du passé.

1 L'idée

Reconstituer un paléoenvironnement, c'est déterminer les conditions physiques, chimiques et biologiques d'un milieu ancien (température, profondeur, salinité, humidité…) à partir d'indices conservés dans les roches sédimentaires. Le principe fondateur est le principe d'actualisme : les processus géologiques et biologiques actuels ont opéré dans le passé avec la même intensité. Un milieu actuel dont l'écologie ou la sédimentologie est connue sert ainsi de référence pour interpréter son équivalent fossile.

2 Les marqueurs de paléoenvironnement

Trois grandes catégories d'indices sont exploitées :

Faciès sédimentaires : nature de la roche (calcaire, grès, argile…), taille des grains, structures (litage, rides de courant, fentes de dessiccation). Ils renseignent sur l'énergie du milieu, la profondeur et l'environnement de dépôt (marin, lacustre, continental).
Fossiles de faciès : organismes à écologie connue dont la présence renseigne directement sur les conditions du milieu (température, salinité, profondeur, luminosité). À distinguer des fossiles stratigraphiques, utilisés pour dater.
Marqueurs géochimiques : notamment les isotopes stables de l'oxygène ($\delta^{18}\text{O}$) mesurés dans les carbonates marins ou les glaces polaires, qui permettent de quantifier les paléotempératures et le volume des calottes glaciaires.

3 Formule — isotopes stables de l'oxygène

Définition du δ¹⁸O

$\delta^{18}\text{O}\,(\text{‰}) = \left(\dfrac{{}^{18}\text{O}/{}^{16}\text{O}_{\text{éch.}}}{{}^{18}\text{O}/{}^{16}\text{O}_{\text{réf.}}} - 1\right) \times 1000$

Carbonates marins

$\delta^{18}\text{O} \uparrow \;\Rightarrow\; T^\circ\text{ eau} \downarrow \;\Rightarrow\; \text{période froide (englacement)}$

Glaces polaires (carottes)

$\delta^{18}\text{O} \downarrow \;\Rightarrow\; \text{précipitations froides} \;\Rightarrow\; \text{période froide}$

4 Exemples de reconstitution

Récif corallien fossile (Jurassique)

Les coraux hermatypiques actuels vivent en eau marine chaude (20–29 °C), peu profonde (0–50 m), bien éclairée et de salinité normale.

Un calcaire récifal à coraux fossiles indique donc un milieu marin tropical, peu profond et chaud.

Couche de charbon (Carbonifère, −300 Ma)

Le charbon résulte de la houillification de végétaux terrestres accumulés en milieu marécageux tropical.

Sa présence indique un milieu continental chaud et humide, comparable aux mangroves et forêts équatoriales actuelles.

Pic de $\delta^{18}\text{O}$ dans une carotte marine

Lors d'une glaciation, le ${}^{16}\text{O}$ s'évapore préférentiellement et se stocke dans les glaces continentales.

L'océan s'enrichit en ${}^{18}\text{O}$ : le $\delta^{18}\text{O}$ des foraminifères augmente.

Un pic élevé de $\delta^{18}\text{O}$ dans une carotte sédimentaire marine signale donc une période froide (englacement).

Démarche de reconstitution d'un paléoenvironnement

1. Identifier les marqueurs : relever la nature lithologique, les structures sédimentaires et les fossiles présents.
2. Appliquer l'actualisme : comparer chaque marqueur à son équivalent actuel dont l'écologie ou la sédimentologie est connue.
3. Croiser les indices : plusieurs marqueurs concordants renforcent la reconstitution ; des indices discordants obligent à nuancer.
4. Situer dans le temps : utiliser des fossiles stratigraphiques ou une datation absolue pour replacer le paléoenvironnement dans la chronologie géologique.

Erreurs fréquentes

Confondre fossile de faciès (indique le milieu de vie) et fossile stratigraphique (indique l'âge) : leurs usages sont distincts, même si un fossile peut remplir les deux rôles.
Inverser le lien $\delta^{18}\text{O}$ / température dans les carbonates marins : $\delta^{18}\text{O}$ élevé = froid (les glaces retiennent le ${}^{16}\text{O}$ ; l'océan s'enrichit en ${}^{18}\text{O}$).
Appliquer sans nuance le principe d'actualisme aux périodes très anciennes (Précambrien, > 540 Ma) : les organismes et les conditions géochimiques étaient alors profondément différents.