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Expériences de stratification

Par Guy Berthault, Ph.D.

grand-canyon-sJ’ai toujours été intrigué par les énoncés de la géologie historique, avec ses ères de centaines de millions d’années. Je désirais savoir dans quelle mesure ces affirmations sur l’âge des formations géologiques avaient été démontrées, ou pouvaient être démontrées, par l’approche expérimentale. J’ai donc repris l’étude du sujet, il y a quelques années, en portant une attention toute particulière aux principes de stratigraphie qui sont utilisés pour déterminer une chronologie relative des strates géologiques, en fonction de leur superposition.

Tout d’abord, considérons quelques définitions. Une strate est une couche distincte de lithologie (nature de la roche), qui est homogène ou qui est avec une gradation, et qui est déposée parallèlement à l’inclinaison initiale de la formation géologique. Elle est séparée des strates adjacentes et des strates discordantes par a) des surfaces d’érosion (érodées par l’eau), b) l’absence de dépôts, ou c) un changement marqué des caractéristiques. Les strates varient de moins d’un millimètre à plus d’un mètre d’épaisseur et incluent les lits (> 1 cm), les laminations (< 1 cm) et les micro-strates (< 1 mm). Une strate présente souvent une ségrégation de ses particules, dont la taille diminue de bas en haut. Un faciès représente pour sa part une superposition de strates qui a des caractéristiques définies.

Les faciès et, à plus grande échelle, les faciès superposés, sont considérés comme étant des couches successives de sédiments déposés de façon isochrone (durée constante). Autrement dit, la strate la plus basse d’un faciès a été formée en premier, la deuxième ensuite, etc. Les principes de la stratigraphie sont fondés sur cette croyance selon laquelle les strates sont des couches formées de manière successive dans le temps.

En 1667, Nicholas Steno, un naturaliste de la Toscane a écrit dans son ouvrage Canis Carchariae que «les couches de sous-sol sont des strates successives de sédiments anciens». De cette affirmation, il a déduit les principes de la stratigraphie définis dans son ouvrage de 1669, Prodromus, dont :

A. Le principe de superposition
«… au moment où une quelconque strate s’est formée, toute la matière reposant à sa surface était fluide, par conséquent, au moment où la strate du bas se formait, aucune strate supérieure n’existait encore».

B. Le principe d’horizontalité initiale
«Les strates, qu’elles soient perpendiculaires ou inclinées par rapport à la ligne d’horizon, étaient antérieurement parallèles à l’horizon. ».

C. Le principe de continuité des strates
«Le matériel formant une strate quelconque était continu sur toute la surface de la Terre, sauf si d’autres corps solides faisaient obstruction à cette continuité»

Implications pratiques de ces définitions

De Luc, au début du XIXème siècle, et plus tard Brongniart, ont considéré que si le principe de superposition indiquait une séquence temporelle, la différence dans le contenu en fossiles des strates indiquerait un changement des espèces en fonction du temps. Subséquemment, la présence de fossiles indicateurs dans les strates superposées a été utilisée comme une évidence de la succession d’époques géologiques. Plus tard, ces principes de stratigraphie et de biostratigraphie ont fourni la base sur laquelle les géologues du XIXème siècle ont établi la séquence stratigraphique.

Examen des données expérimentales

À la fin du XIXème siècle, Johannes Walther a étudié la formation de dépôts synsédimentaires (sédimentation simultanée) dans un delta formé par progradation ou qui s’était développé de la côte en direction de la haute mer. Il a observé la même succession de faciès, de haut en bas et de la côte en direction de la mer. Ceci était une évidence claire du fait que les faciès en séquence, lorsqu’ils sont superposés et juxtaposés en même temps, ne suivent pas toujours les principes de superposition et de continuité (Figure 1).

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Figure 1. Walther a observé la même succession de faciès, de haut en bas et de la côte en direction de la mer

Dans les années 70 et 80, les forages du Glomar Challenger au fond de l’Océan Pacifique ont mis en évidence que la découverte de Walther concernant les faciès superposés et juxtaposés s’appliquait également aux sédiments en mer profonde. On peut d’ailleurs démontrer que les observations de Walther sont une conséquence naturelle des mécanismes de sédimentation.

Le géologue américain Edwin McKee2 a rapporté ses observations concernant les sédiments déposés en 1965 alors que la rivière Bijou, au Colorado est sortie de son lit après 48 heures de pluies torrentielles. Les dépôts stratifiés, qui atteignaient une épaisseur de 12 pieds (3,6 m), ont montré une ségrégation des particules et une formation de plans de litage (bedding planes).

Or, on considère généralement que les plans de litage sont le résultat d’interruptions dans la sédimentation, avec un durcissement en surface de la couche s’étant formée la dernière, avant une nouvelle sédimentation. Il était impossible, par une simple observation des strates de la rivière Bijou Creek, de savoir si ces strates s’étaient formées successivement, l’une sur l’autre, ou de manière synsédimentaire. De toute façon, une durée de 48 heures ne donnait pas suffisamment de temps à la surface d’aucune strate pour durcir avant qu’une nouvelle sédimentation subséquente soit déposée sur cette surface. La séparation des strates observée devait forcément être causée par un autre mécanisme.

Expériences personnelles

En cherchant dans la littérature spécialisée en géologie et en sédimentologie, j’ai été surpris de découvrir qu’il y avait peu de données expérimentales sur la formation des strates. On avait apparemment supposé que toutes les strates se forment selon les principes de stratigraphie. Mon objectif visait donc à tester par l’expérimentation ce mécanisme hypothétique de formation des strates.

Évaluation des conditions de formation des strates

J’ai commencé par examiner comment les particules sédimentaires se déposaient en conditions sèches ou humides. Des grains de sable de dimensions variables ont produit des micro-strates lorsqu’ils étaient déversés dans une fiole (Figure 2). Les micro-strates étaient formées par un tri spontané des particules de sable selon leurs tailles, les grosses particules se retrouvant au fond et les plus petites particules à la surface. Le processus se répétait de lui-même, produisant de multiples micro-strates.

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Figure 2. Des grains de sable de dimensions variables ont produit des micro-strates lorsqu’ils étaient déversés dans une fiole.

Cette observation était fondamentale, parce qu’elle démontrait que les micro-strates se forment par un tri des particules, indépendamment de leur vitesse de sédimentation, et non selon le principe d’une strate se formant la première et ensuite une autre à sa surface. Mes résultats furent publiés par l’Académie française des sciences,3,4 ce qui m’a encouragé à poursuivre mes expériences, mais sur une échelle beaucoup plus grande.

Expériences menées à l’Université du Colorado

Les expériences à plus grande échelle exigeaient un laboratoire ayant une technologie de pointe. Ayant lu des travaux américains sur la sédimentologie, j’ai contacté l’Université Colorado State. Ces démarches ont permis d’initier une série d’expériences dans leur laboratoire moderne d’hydraulique à Fort Collins. Pierre Julien, un sédimentologue, était responsable des expériences qui se sont déroulées dans des chambres hydrauliques vitrées de grandes dimensions (flumes), ce qui permettait l’observation et le filmage au-dessus et sur les côtés des réservoirs (Figure 3).

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Figure 3. La formation des micro-strates dans des chambres hydrauliques vitrées.

Des particules de sable de différentes dimensions ont été versées dans l’eau qui circulait dans les chambres. Des variations dans la vitesse du courant d’eau ont provoqué un tri des particules selon leurs dimensions. À 1m/s (3,6 km/h), des micro-strates superposées se sont formées latéralement, sur le côté, dans le sens du courant. Une réduction de la vitesse à 0,5 m/s a amené les particules plus grosses à se rassembler sur la première micro-strate, mais toujours dans le sens du courant. Un retour de la vitesse du courant d’eau à 1m/s a provoqué la formation d’une troisième micro-strate, semblable aux premières, principalement en raison de l’érosion en surface de la deuxième strate formée des plus grosses particules. L’accumulation de sédiments a donc produit un dépôt qui se composait a) d’une partie aval formée de la micro-strate la plus basse, b) d’une autre partie en pente, formée de la micro-strate des plus grosses particules, et c) de la partie amont formée de la micro-strate du dessus. Chacun de ces trois dépôts s’est formé successivement vers l’aval et était donc plus jeune que celui qui le précédait en amont. Des variations dans la vitesse du courant, comme c’est le cas avec les rivières et les océans, pourraient ainsi provoquer la formation verticale et latérale de dépôts en même temps, dans le sens du courant.

Les expériences avec les chambres hydrauliques ont également démontré la mécanique de la stratification, selon laquelle :

  1. Les particules sont ségréguées selon leur taille lorsqu’elles sont transportées dans un courant de vitesse variable;
  2. La dessiccation ou le séchage de dépôts a provoqué des séparations de couches.
  3. La stratification du dépôt, sous des conditions sèches ou humides, s’est formée parallèlement à la pente du dépôt, laquelle pouvait excéder 30°. 5

Faits saillants

On a ainsi découvert que là où il y a du courant :

  1. Les strates peuvent se former latéralement et verticalement en même temps ;
  2. Les strates peuvent se former de la même manière en tant que séquences de faciès;
  3. Les strates ne sont pas toujours une mesure de la chronologie.

Ces faits expérimentaux démontrent clairement que :

  1. Les strates superposées ne résultent pas toujours, selon les croyances de Steno, de couches successives de sédiments dans le temps; en conséquence, le principe de superposition ne s’applique pas toujours à des strates formées dans un courant d’eau;
  2. La stratification formée parallèlement à une pente et excédant un angle de 30° peut invalider le principe d’horizontalité initiale. Les strates inclinées ne sont donc pas nécessairement le résultat d’effondrements ou de soulèvements.

Lien entre les résultats expérimentaux et les formations géologiques

Les expériences ont démontré que les strates déposées par le courant peuvent se former de la même façon qu’une séquence de faciès. Ceci est consistant avec la stratigraphie des séquences. Les expériences démontrent que les plans de litage (bedding planes), considérés comme résultant d’interruptions de la sédimentation, peuvent en fait résulter de la dessiccation des sédiments. En outre, plusieurs travaux ont démontré les relations entre les conditions hydrauliques synsédimentaires (simultanées) et les structures sédimentaires, soient les observations sous-marines récentes telles que celles de Rubin6, la revue de littérature par Southard7 des recherches en chambres hydrauliques, et les études sur les rivières initiées par Hjulström8, et poursuivies par plusieurs autres chercheurs. La relation est particulièrement significative entre la vitesse critique de sédimentation et la taille des particules. De telles relations correspondent à celles observées dans nos expériences en laboratoire et peuvent donc être utilisées pour déterminer les conditions paléohydrauliques minimales (vitesse du courant, profondeur de l’eau, décharge et vitesse d’accumulation des sédiments) à partir des structures rocheuses d’origine sédimentaire.

Guy Berthault est le vice-président du Cercle Scientifique est Historique et a son propre site web avec de plus amples informations en anglais seulement concernant la sédimentologie.

Tiré de : «Vital Articles on Science/ Creation»
© Copyright 2004 Tous droits réservés. Institute for Creation Research, http://www.icr.org/pubs/imp/imp-328.htm

traduit de l’anglais par Ketsia Lessard et Marc Hébert, M.Sc.

Références bibliographiques

  1. Walther J., 1893-1894, Einleitung in die Geologie als historische Wissenschaft: Jena Verlag von Gustav Fisher, Sud. 1055p.
  2. McKee, E.D., Crosby, E.J. & Berryhill, H.L. Jr. 1967, Flood deposits, Bijou Creek, Colorado, 1965, Journal of Sedimentary Petrology, 37, 829-851.
  3. Berthault G. 1986, Sedimentology—experiments on lamination of sediments, C.R. Acad. Sc. Paris, 303 II, 17, 1569-1574.
  4. Berthault G. 1988, Sedimentation of heterogranular mixture—experimental lamination in still and running water, C.R. Acad. Sc. Paris, 306, II, 717-724.
  5. Julien P, Lany, Berthault G., 1993, Experiments on stratification of heterogeneous sand mixtures, Bulletin de la Société Géologique, France, 164-5, 649-660.
  6. Rubin D.M. and McCulloch D.S. 1980, Single and superposed bedforms: a synthesis of San Francisco Bay and flume observations, Journal of Sedimentary Petrology, 26:207-231.
  7. Southard J. and Boguchwal J.A. 1990, Bed configuration in steady unidirectional waterflows, part 2, Synthesis of flume data, Journal of Sedimentary Petrology 60(5) : 658-679.
  8. Hjulström F. 1935, The morphological activity of rivers as illustrated by river fyris, Bulletin of the Geological Institute Uppsala, 25, chapter 3.

Autres publications de Dr. Berthault qui remets en question les de la stratigraphie et l’échelle des temps géologiques

Berthault G., 2002. Analysis of Main Principles of Stratigraphy on the Basis of Experimental Data. Lithology and Mineral Resources 37(5) 442-445.

Berthault G., 2004. Fundemtological Interpretation of the Tonto Group Stratigraphy (Grand Canyon Colorado River). Lithology and Mineral Resources 39(5) 480-484.