géologie

Étude des constituants de la Terre, visant à en comprendre la nature, la distribution, l'histoire et la genèse.

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Si les premières observations géologiques remontent à l'Antiquité, le nom de géologie apparaît pour la première fois à la fin du xvii^e s., dans le titre d'un ouvrage, et ce n'est qu'au xviii^e s. que cette science commence véritablement à se développer, dans l'ambiance du siècle des Lumières. On voit bientôt s'opposer les théories antagonistes de l'Allemand Abraham Werner (1749-1817), qui attribue à toutes les roches une origine océanique, et de l'Américain James Hall (1811-1898), qui privilégie l'origine ignée des roches éruptives. Au xix^e s., la géologie proprement dite se diversifie en ses différentes branches, tandis que le xx^e s. voit son explosion en disciplines nouvelles, avec d'une part son ouverture à la physique et à la chimie, donnant naissance à la géophysique et à la géochimie, et d'autre part les progrès des moyens d'observation qui étendent son champ à l'océanologie et à la planétologie, l'ensemble constituant les géosciences.

1. Objets d'étude et différentes branches de la géologie

La géologie proprement dite comprend diverses branches qui concourent à l'étude de la nature des roches, de leur âge ou de leur structure.

1.1. L’étude de la nature des roches

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L'étude de la nature des roches fait l'objet de la pétrographie, ou pétrologie, qui distingue :

– les roches sédimentaires, ou exogènes (calcaires, grès, argiles, etc.), déposées par les agents dynamiques externes (eaux, glaces, vent) et dont la caractéristique principale est d'être stratifiées ;

→ sédimentation

– les roches magmatiques, ou endogènes, issues des profondeurs, généralement cristallines, sous forme d'amas massifs, ou plutons, lorsqu'elles ont cristallisé à l'intérieur de la croûte terrestre (granites, gabbros, péridotites, etc.) ou de volcans et de coulées de laves lorsqu'elles se sont épanchées à la surface (rhyolites, basaltes, etc.) ;

– les roches métamorphiques, de nature endogène ou exogène, mais transformées dans les profondeurs de la croûte terrestre sous haute température et haute pression, ce qui leur confère un aspect de schistes cristallins (micaschistes, gneiss).

1.2. L’étude de l’âge des roches

L'étude de l'âge des roches fait l'objet de la stratigraphie (pour les roches sédimentaires) et de la géochronologie, la première s'appuyant sur la paléontologie, ou science des fossiles, la seconde sur la géochimie isotopique, seule méthode pour les roches endogènes et métamorphiques, méthode complémentaire pour les roches sédimentaires.

La paléontologie (qui permet la stratigraphie par la succession des faunes et flores fossiles dans le temps), est surtout efficace depuis 540 millions d'années (MA), moment de l'explosion biologique fondamentale qui ouvre les temps dits phanérozoïques (du grec phaneros, visible, et zôon, animal). Ceux-ci sont divisés en ères, elles-mêmes divisées en systèmes, eux-mêmes formés d'étages définis par un contenu faunistique et floristique rapporté à une localité type dont l'étage porte le nom.

Apparue il y a quelque 3,8 milliards d'années (traces d’activité d’organismes procaryotes), la vie s’est longtemps limitée au développement de bactéries et de cyanobactéries (dont certaines, coloniales, ont laissé des structures appelées stromatolites). Puis apparaissent les organismes unicellulaires eucaryotes, il y a 1,9 milliard d’années environ, suivis par les premiers pluricellulaires, il y a 670 millions d’années. Les invertébrés prolifèrent, sous toutes leurs formes, à la limite précambrien-primaire, vers 540 MA. Les poissons les plus primitifs apparaissent vers 500 MA, à la limite cambrien-ordovicien, les amphibiens (ou batraciens) vers 360 MA, à la limite dévonien-carbonifère, les reptiles vers 320 MA, au milieu du carbonifère, les mammifères vers 200 MA, au trias, les oiseaux vers 160 MA, au jurassique. Les hominidés n'émergent que vers 4 MA, au cours du pliocène. Parmi les végétaux, les cryptogames partent à la conquête des continents, jusqu'alors déserts, vers 430 MA, au silurien, les gymnospermes apparaissent vers 360 MA, au début du carbonifère, les angiospermes, ou plantes à fleurs (phanérogame), vers 100 MA, au crétacé.

Cette succession des faunes et des flores dans l'ordre de la complexité croissante est le support de la théorie de l'évolution formulée à la fin du xviii^e s. par le Français Jean-Baptiste Lamarck (1744-1829) – connue aujourd’hui sous le nom de lamarckisme –, puis de celle établie au xix^e s. par le Britannique Charles Darwin (1809-1882). Ces successions de faunes ne sont pas régulières : certaines périodes sont marquées par de brutales et vastes vagues d’extinctions ; la plus connue s'est produite à la fin de l'ère secondaire (transition crétacé-tertiaire), vers 65 MA, et vit la disparition totale des dinosaures.

L'établissement du concept d'évolution est l'un des grands chocs spirituels ayant modifié l'idée que l'humanité se fait d'elle-même (aux côtés du concept de révolution de la Terre sur elle-même et autour du Soleil) : non seulement l'homme n'est pas au centre du monde, mais il n'est qu'un maillon parmi d'autres d'une chaîne biologique a priori sans fin.

La géochronologie a donné à la stratigraphie un calendrier précis, outre qu'elle a permis de donner un âge aux terrains cristallins, jusqu'alors datés approximativement par des méthodes indirectes. Elle se fonde essentiellement sur des méthodes géochimiques.

La datation des terrains et l'analyse de leurs faciès débouchent sur la reconstitution des géographies du passé géologique, ou paléogéographie.

L'ensemble de ces disciplines, qui reconstituent l'histoire de la Terre, forme la géologie historique.

1.3. L’étude de la structure des roches

L'étude de la structure des roches fait l'objet de la tectonique, qui décrit les déformations des roches par l'observation de terrain et leur genèse par la tectonique expérimentale et la tectonophysique.

On reconnaît ainsi des formes et accidents tectoniques, cassures ou failles, plis, transports horizontaux ou chevauchements et charriages et des styles tectoniques, selon la profondeur des déformations.

Les chaînes de montagnes qui en résultent forment des ensembles intra- ou intercontinentaux. Les chaînes intracontinentales associent les déformations du socle continental et de sa couverture sédimentaire.

Les chaînes intercontinentales, ou de collision, sont liées au rapprochement des continents jusqu'à leur collision : l'océan intermédiaire se réduit à une cicatrice, ou suture ophiolithique, du nom des roches basiques et ultrabasiques qui formaient la croûte de l'océan disparu – les chaînes alpines de la ceinture montagneuse qui va de Gibraltar à l'Indonésie, entre l'Eurasie d'un côté et l'Afrique, l'Inde et l'Australie de l'autre, par les Alpes et l'Himalaya, en sont un bon exemple.

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Les chaînes péricontinentales, ou de subduction, sont dues au passage en force de la lithosphère océanique sous les marges des continents qui les bordent (→ subduction). Elles affectent soit la forme de puissantes cordillères, comme les Andes, limitées à la déformation des marges continentales, soit la forme d'arcs insulaires, comme ceux de l'ouest du Pacifique, lorsqu'une mer marginale s'intercale entre l'arc déformé et le bord continental ; cordillères et arcs insulaires sont riches en roches granitiques et volcaniques (andésites).

Chaînes de collision et de subduction forment les deux grandes ceintures montagneuses volcaniques et sismiques du globe : la ceinture péripacifique, liée à la subduction de l'océan Pacifique (« ceinture de feu », et la ceinture téthysienne, liée à la collision des masses continentales aujourd'hui septentrionales (Amérique du Nord et Eurasie), avec les masses méridionales (Amérique du Sud, Afrique, Inde, Australie), aux dépens de la Téthys, océan aujourd'hui disparu qui séparait ces deux ensembles continentaux.

2. Les nouvelles disciplines

De la rencontre entre la géologie et la physique et la chimie, sont issues la géophysique et la géochimie.

2.1. La géophysique

Fournissant un apport essentiel à la tectonique, la géophysique s'est développée via la gravimétrie, la sismologie et le géomagnétisme.

La gravimétrie

Née au xviii^e s., la gravimétrie, en se fondant sur les anomalies de la pesanteur, contribue à définir la forme du globe terrestre, puis l'équilibre des couches superficielles sur les plus profondes, ou isostasie, notamment dans le cas des chaînes de montagnes sous lesquelles existe une racine légère, conçue comme un gonflement de la lithosphère continentale à l'aplomb du relief, sorte d'image en négatif de la chaîne. En affinant la mesure de ces anomalies de pesanteur, on peut déterminer les régions en équilibre isostasique, donc stables, et celles en déséquilibre, qui tendent soit à s'affaisser, soit à se soulever, ayant ainsi une clef de la dynamique du relief.

La sismologie

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La sismologie est devenue une science vers la fin du xix^e s. et les études sismologiques se sont orientées successivement dans trois directions :

• les tremblements de terre (→ séisme) eux-mêmes (échelle de Mercalli, qualitative ; et échelle de Richter, quantitative) ;

• la détermination de la structure du globe terrestre en croûte, manteau et noyau, séparés par les discontinuités de Gutenberg et de Mohorovičić (moho), croûte et manteau supérieur formant la lithosphère, rigide, tandis que le reste du manteau constitue l'asthénosphère, plastique (→ Terre) ;

• la structure de la croûte terrestre et de ses parties superficielles qui, seule, concerne la géologie.

La sismicité générale a permis de définir le mécanisme d'ouverture (accrétion) des rifts médio-océaniques (fossé d'effondrement, expansion des fonds océaniques), le jeu des failles transformantes qui segmentent ceux-ci, le plan de subduction, dit plan de Benioff (du nom de son découvreur, le sismologue américain Hugo Benioff [1899-1968]), selon lequel l'océan plonge sous les marges continentales au niveau des arcs insulaires et des cordillères. Ainsi a été fondée la tectonique des plaques.

La sismique appliquée, développée par les compagnies pétrolières (→ pétrole), a conduit à une connaissance détaillée de la croûte terrestre faisant la liaison entre géophysique et géologie. D'abord limitée aux ensembles sédimentaires, objets de la prospection pétrolière, elle s'est étendue à l'épaisseur de la croûte terrestre, par la mise au point de programmes de profils sismiques d'écoute longue, comme les programmes COCORP (COnsortium for Continental Reflection Profiling) aux États-Unis, le premier du genre, ou ÉCORS (Étude des Continents et des Océans par Réflexion Sismique) en France, et d'autres dans différents pays. C'est la tectonique qui a surtout profité de ces développements.

Le géomagnétisme

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Le géomagnétisme est, avec la gravimétrie, la plus ancienne discipline de la physique du globe, car, comme elle, liée à la géodésie : dès le xvii^e s. et surtout le xviii^e s., les mesures du magnétisme terrestre sont devenues courantes. Mais il a fallu attendre le xx^e s. pour qu'elles prennent un sens pour la géologie et qu'elles soient effectuées dans ce but.

Le paléomagnétisme, qui fournit la direction des pôles à un moment donné en un endroit donné, se fonde sur le champ magnétique fossile daté par la stratigraphie ou la géochronologie. Chaque continent, à un moment donné, indiquant une position différente des pôles de celles indiquées par les autres continents, la mobilité relative des uns par rapport aux autres se trouve ainsi démontrée, justifiant la théorie de la dérive des continents de l'Allemand Alfred Wegener (1880-1930), et confortant la tectonique des plaques qui l'intègre dans ses prémisses.

Le relevé d'anomalies magnétiques océaniques parallèles au rift médian, interprétées comme marquant les renversements successifs de la polarité du champ magnétique terrestre pendant la genèse progressive de la croûte océanique, donne une mesure quantifiée de celle-ci, dont l'ordre de grandeur est le centimètre par an, de 2 cm/an pour les rifts lents jusqu'à plus de 10 cm/an pour les rifts rapides. Ainsi se trouve mesurée l'expansion océanique et une nouvelle fois confortée la tectonique des plaques.

À la paléogéographie succède ainsi la palinspatie, qui tient compte du déplacement des continents et devient globale, justifiant que la tectonique des plaques soit aussi désignée sous le nom de tectonique globale.

2.2. La géochimie

La géochimie a renouvelé la pétrologie par l'analyse précise et quantifiée de la composition des roches et de chacun de leurs minéraux majeurs. Mais c'est par l'analyse des éléments mineurs et de leurs composants isotopiques qu'elle a apporté une véritable révolution.

En s'appuyant sur la période de désintégration des éléments radioactifs, elle a permis la mesure de la durée des temps géologiques, dont l'unité est le million d'années : tous les chiffres rappelés dans le tableau stratigraphique se fondent sur cette géochronologie isotopique qui utilise les couples uranium/plomb, potassium/argon, rubidium/strontium, etc., pour les temps géologiques anciens, le fluor et le carbone 14 pour les périodes récentes aux limites de l'histoire et de la préhistoire.

Après la paléontologie, qui a fondé la notion d'évolution biologique, la géochronologie est à la source de la deuxième grande révolution apportée par les géosciences dans la pensée humaine : désormais, l'histoire de la Terre a un début et un calendrier dans lequel l'évolution biologique, notamment celle de l'homme, prend sa place.

En s'appuyant sur la composition isotopique des roches, la géochimie a permis de préciser les conditions de leur formation, notamment la température à laquelle elles sont apparues. Ainsi ont été définis des paléothermomètres, comme le couple oxygène 16/oxygène 18, qui permet de dire à quelle température se sont déposés les sédiments, fournissant une clef à la paléoclimatologie : les périodes froides sont caractérisées par un enrichissement en oxygène 18, isotope lourd moins volatil, au contraire des périodes chaudes, caractérisées par un enrichissement en isotope léger oxygène 16.

Par l'ensemble de ces approches, la géologie dynamique, ou géodynamique, a été complètement renouvelée.

3. Les nouvelles approches

Dans les dernières décennies, les progrès de l'océanographie et de la recherche spatiale ont donné à la géologie une dimension qui englobe les océans tout autant que les continents et dépasse même les limites du globe terrestre pour s'étendre aux autres planètes du Système solaire et à leurs satellites.

3.1. L'océanologie géologique

Apparue au xix^e s., l'océanologie géologique a donné des océans une connaissance précise qui a renouvelé l'interprétation des terrains du passé géologique, en s'appuyant sur toutes les méthodes de la géologie, de la géophysique et de la géochimie et, à la fin du xx^e s., en utilisant des moyens performants comme le sondeur multifaisceaux (fondé sur le principe du sonar), pour le dessin des cartes du fond des océans, les forages océaniques profonds, pour recueillir des éléments de la croûte océanique et de sa couverture sédimentaire, et les submersibles autonomes (bathyscaphe), capables de descendre à 6 000 m de profondeur, pour effectuer des observations et recueillir des échantillons, etc.

Le principe de l'uniformitarisme, suivant lequel le globe a évolué selon les mêmes modalités qu'aujourd'hui, énoncé dès 1830 par le Britannique Charles Lyell (1797-1875), y a trouvé sa convaincante illustration, du moins pour ce qui concerne les temps phanérozoïques.

3.2. La planétologie

La planétologie (→ planète) s'est développée en s'appuyant sur des télescopes de plus en plus performants et sur les sondes spatiales. Elle autorise une étude comparée des planètes et de leurs satellites, l'événement le plus spectaculaire ayant été la récolte de roches lunaires, des basaltes identiques à ceux que l'on rencontre sur la Terre et de même âge que les plus anciens : la Lune a le même âge et la même origine que notre planète.

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Nombre de traits géologiques terrestres ont été reconnus sur les planètes telluriques et les satellites des planètes géantes ; outre les impacts météoritiques mieux conservés que sur la Terre, où l'érosion les a le plus souvent effacés, on a reconnu des traces d'érosion fluviale, des plis et failles, des calottes glaciaires (sur Mars) ; des carapaces de glace déformées (sur Callisto, Europe et Ganymède, satellites de Jupiter) ; des volcans éteints (sur Vénus et Mars) ou en activité (sur Io, satellite de Jupiter), etc. Ces observations sont l'amorce d'une géologie des planètes qui n'en est qu'à ses débuts.

3.3. La télédétection

L'observation de la Terre par satellite dans le visible ou dans certaines bandes du spectre infrarouge autorise une cartographie précise, révélant des structures de grande dimension que la synthèse des observations de terrain ne permet pas toujours de mettre en évidence.

3.4. L'océanologie spatiale

Les mesures effectuées au-dessus des océans par des satellites équipés d'altimètres radar donnent des résultats de premier plan pour l'étude des courants ou des grands déplacements de la masse océanique, comme le phénomène El Niño, mais aussi dans le domaine de la géologie : moyennant diverses corrections, l'altimétrie de la surface des océans – connue au centimètre près – révèle la forme du fond et les accidents tectoniques qui l'affectent : on a pu ainsi dresser des cartes des fonds océaniques, qui vérifient les prédictions de la tectonique des plaques, fournissant donc de cette théorie une autre démonstration.

3.5. La géodésie spatiale

Des satellites géodésiques ont permis de mesurer avec une précision centimétrique les déplacements des objets géologiques à la surface de la Terre et de retrouver ainsi, par une autre méthode, les données de la tectonique des plaques, mais cette fois chiffrées en temps réel.

On passe ainsi de la géodynamique moyennée sur des millions d'années à la géodynamique mesurée sur une année. Le résultat le plus spectaculaire est que les valeurs obtenues par ces deux approches sont identiques : par exemple, moyenné sur 5 millions d'années ou mesuré sur une année, le coulissage du complexe de failles de San Andreas, en Californie, est de 5 cm par an.

On peut dès lors envisager de prédire le futur : à long terme, par exemple quand l'axe égéen, qui s'avance vers le sud à la cadence de 4 cm par an, viendra recouvrir la Libye en fermant la mer du Levant, etc. ; ou, à court terme, en particulier pour la prévision des séismes.