La stratigraphie est le livre de l’histoire de la Terre. Ce livre est lu depuis longtemps, chaque lecteur essayant d’en améliorer la compréhension générale. Depuis l’introduction de la notion de stratotype par d’Orbigny, il y aura bientôt deux siècles, les points de vue ont évolué, et l’on est passé de l’appréhension d’une seule dimension, celle de la verticale, celle du temps, à une notion en quatre dimensions, celles de l’espace et du temps. Le bassin de Paris permet d’illustrer l’évolution des principaux concepts qui ont prévalu en stratigraphie.
Stratigraphy is the book of Earth history. This book has been read for a long time, and each reader tries to improve its general understanding. Since the introduction of the concept of stratotypes by d’Orbigny, nearly two centuries ago, the point of view has evolved and shifted from a one-dimension perception, the vertical one, the time one, to a four-dimension comprehension, the time–space one. The Paris Basin illustrates the evolution of the main concepts that prevailed in stratigraphy.
d’Orbigny, stratigraphy, history of Sciencesd’Orbigny, stratigraphie, histoire des sciencespresentedRédigé à l’invitation du Comité éditorialLa stratigraphie : le livre de l’histoire de la Terre
Les géosciences se caractérisent par deux approches aussi fondamentales qu’indissociables : (1) la maîtrise du temps, dont la stratigraphie est un des volets essentiels et (2) la compréhension qui s’attache à l’analyse et à la modélisation des processus physico-chimiques régissant l’évolution de notre planète. Les roches sédimentaires sont les archives les plus complètes de l’histoire de la Terre, même si, fondamentalement, elles sont lacunaires. Elles enregistrent l’histoire de la vie, de la déformation des plaques lithosphériques, du climat, des reliefs de la Terre et des variations de la chimie des océans. Cette histoire est un puzzle en quatre dimensions (x, y, z et t), dont chaque pièce constitue un épisode en un endroit donné.
Au cours des temps géologiques, la vie a contribué à la formation de roches sédimentaires, et plus particulièrement des carbonates, souvent biogéniques. En outre, l’évolution des êtres vivants a permis une diversification des types de sédiments, enregistreurs précis des variations des paramètres des océans (température, chimie...) tout en laissant des signes du temps. Le potentiel historique des roches (pas seulement sédimentaires) s’accentue avec l’explosion de la biodiversité à la surface de la Terre solide comme liquide – jusqu’à des profondeurs du sous-sol encore récemment insoupçonnées – et avec l’accroissement du taux de préservation des organismes au Phanérozoïque.
Les bassins sédimentaires restituent l’histoire d’une Terre dont la surface se déforme sans cesse. Ces archives, déjà parcellaires dans l’espace et dans le temps, sont encore amputées par l’érosion tectonique (subduction des sédiments océaniques aux frontières des plaques lithosphériques, métamorphisme des marges dans les chaînes de montagnes, etc.). Les bassins intracratoniques, dont la subsidence évolue à très long terme (100 à 200 Ma) sous l’effet du refroidissement de la lithosphère, sont les meilleurs candidats à la préservation de la mémoire stratigraphique.
Le bassin de Paris
Le bassin de Paris est un berceau de l’histoire de la stratigraphie (géologie historique) et l’un des premiers modèles de bassins intracratoniques. C’est, au premier ordre, une flexure lithosphérique de 600 km de long, ayant accumulé plus de 3000 m de sédiments méso-cénozoïques (250 Ma), dans un domaine s’étendant actuellement au bassin de Londres, à la mer du Nord, à la Manche et à sa marge atlantique (Fig. 1). Les limites du bassin de Paris en bordure du socle hercynien (armoricain, centralien, ardennais, vosgien...) ne correspondent pas aux limites de dépôts des temps mésozoïques : ce sont des limites d’érosion dues à une surrection récente (qui a débuté voici moins de 65 Ma) des domaines du socle, en réponse à la formation des Alpes et des Pyrénées. Les limites du bassin dans la mer du Nord et dans le domaine atlantique sont celles de rifts restreignant au Mésozoïque la surface du bassin, et dont le fonctionnement conditionne le démarrage et la focalisation de la subsidence du bassin.
Globalement, le bassin de Paris résulte d’un cycle sédimentaire d’au moins 240 Ma. Sa phase transgressive débute avec les grands lacs permiens, auxquels succèdent les grands épandages fluviatiles et les plaines évaporitiques du Trias, pour s’achever avec les grandes plates-formes carbonatées du Jurassique supérieur. À cette époque, le bassin de Paris est l’extrémité nord d’une gigantesque plate-forme : la marge nord de la Téthys. Le Massif central, les Vosges et probablement le Massif armoricain et l’Ardenne étaient des domaines encore immergés et subsidents 〚15〛, 〚21〛, 〚22〛, 〚29〛 and 〚52〛. La phase régressive s’accompagne d’un morcellement de la marge induite, avec trois périodes de continentalisation, la première brève à la base du Crétacé et au Barrémien, la deuxième, plus importante et récurrente aux alentours de la limite Crétacé/Tertiaire, puis, définitive à partir de l’Oligocène supérieur (Fig. 2).
Ce cycle de premier ordre de 240 Ma de durée est l’expression fidèle de l’évolution géodynamique de la plaque eurasiatique 〚20〛. La phase transgressive enregistre une période d’extension en réponse à la divergence des plaques issues de la Pangée. Le Crétacé inférieur est une période charnière. L’ouverture du golfe de Gascogne induit un morcellement et un arrêt de la plate-forme carbonatée fini-jurassique. Sa bordure nord (Massif armoricain, Massif central p.p.) est un épaulement de rift qui alimente le système terrigène wealdien. Puis la convergence Afrique–Eurasie (intra Crétacé supérieur) fait évoluer le bassin de Paris vers un régime compressif (flambage lithosphérique, avec deux paroxysmes aux alentours de la limite Crétacé–Tertiaire et de la limite Mio-Pliocène), et une continentalisation définitive. Les domaines de socle périphériques résultent des mouvements verticaux initiés dès l’ouverture du golfe de Gascogne au Crétacé inférieur (Fig. 3), et dont les rejeux au Tertiaire expliquent la fermeture saccadée des connexions entre le bassin de Paris et l’Atlantique. Ce super-cycle stratigraphique illustre de façon remarquable à l’échelle globale l’évolution des rapports entre domaine marin et domaine continental, d’une part, et l’évolution du relief terrestre, d’autre part. Ainsi, la courbe isotopique du strontium dans l’océan mondial, signant entre autres le flux détritique entrant dans le système océanique, présente des fluctuations contemporaines des grands bouleversements géodynamiques modifiant la topographie de la Terre (Fig. 4). Cela conduit à l’idée générale que l’intérieur des cratons est un enregistreur de la tectonique des plaques à l’échelle des cycles de Wilson (durée de l’ordre de 400 Ma). De fait, la thermicité du bassin de Paris, modélisée comme la réponse à l’effondrement gravitaire de la chaîne hercynienne, d’impact mondial, explique pour une grande part son organisation stratigraphique sur le long terme 〚40〛 and 〚47〛. Enfin, le bassin de Paris subsident (Trias–Jurassique) avait une extension géographique plus grande que le bassin actuel et, inversement, le bassin, dans sa forme actuelle, est le résultat d’un pli de lithosphère (flambage) durant le Tertiaire, période à laquelle il n’est presque plus subsident.
À un pas de temps inférieur (celui des étages stratigraphiques, de l’ordre de 5 à 15 Ma), le bassin enregistre tout au long de son histoire les déformations de la plaque lithosphérique ouest-européenne, auxquelles s’ajoutent les grandes variations eustatiques et climatiques globales 〚45〛 and 〚46〛. La modulation de ces cycles géodynamiques dans l’enregistrement stratigraphique du bassin prend en compte les facteurs locaux (le relief induit) et les changements climatiques liés à l’évolution latitudinale de la zone. Le bassin de Paris se situe, du Trias au Crétacé terminal, à des latitudes comprises entre N25° et N35° (Fig. 5), dans un monde globalement sans glace (greenhouse), ce qui permet le développement de grandes plates-formes carbonatées, dans un contexte topographique très plat, opposé aux morphologies actuelles, dominées par des incisions alluviales acquises durant le Néogène et enregistrées jusqu’au rebord du plateau continental 〚44〛.
L’avènement des stratotypes
Alors que nombre d’anciennes dénominations de formations sédimentaires expriment leur nature pétrographique (« houiller », « vieux grès rouges », « corallien », « crétacé », etc.), les corrélations chronostratigraphiques sur la base des seuls caractères pétrographiques sont généralement invalides. Lavoisier 〚28〛 opposait « les bancs littoraux formés à la côte, aux bancs pélagiens formés en pleine mer à une grande profondeur », contemporains, mais de nature et de composition différentes (Fig. 6), ce qui correspond à la notion de passage latéral de faciès, observé fréquemment sur le terrain. C’est à Prévost 〚37〛 que l’on doit un des premiers diagrammes chronostratigraphiques, avec l’illustration devenue célèbre de l’équivalence, au point de vue de l’âge géologique, des « formations marines » dans la partie surtout septentrionale du bassin de Paris et les « formations d’eau douce », qui leur correspondent plus au sud.
Établir l’âge relatif des couches successives est a priori l’étape la plus aisée, par la simple application du principe de superposition. Mais, évidemment, ce principe n’est applicable qu’à la condition essentielle de pouvoir vérifier que la superposition est originelle, vérification parfois fort délicate dans les régions très déformées. Depuis Smith 〚48〛, la preuve habituelle du synchronisme des couches géologiques, surtout lorsqu’il s’agit de formations rencontrées à de grandes distances les unes des autres, est la présence de fossiles communs à ces divers dépôts ou de fossiles dont l’équivalence chronologique a été démontrée en un lieu donné (biostratigraphie).
Les stratigraphes ont très tôt utilisé, de façon combinée, la continuité cartographique des formations sédimentaires faciologiquement homogènes et les successions de référence au contenu paléontologique bien déterminé, pour établir des corrélations chronostratigraphiques. Cette approche constitue l’une des prémisses de l’avènement des stratotypes. Von Buch 〚51〛 et Quenstedt 〚41〛 subdivisent ainsi les roches du Jura souabe en trois parties : un groupe inférieur ou « Jura noir » (Lias), formé de marnes et de calcaires argileux de couleur sombre ; un groupe moyen ou « Jura brun » (Dogger), groupant des terrains comprenant des assises ferrugineuses ; un groupe supérieur ou « Jura blanc » (Malm), composé de calcaires clairs.
L’établissement des divisions géologiques de divers ordres, leur réalité et leurs causes représentent un des enjeux fondamentaux de la géologie. Si un large accord avait été facilement acquis sur les subdivisions en grands groupes (ères, périodes ou systèmes), il n’en était pas de même sur les subdivisions d’ordre inférieur, à cause justement de la multiplicité, à cette échelle, des évidences de passages latéraux de faciès ou des relais entre faciès et surfaces d’érosion ou de condensation. La notion d’étage fut introduite en 1842 et reprise en 1847 et 1849 par Alcide d’Orbigny 〚35〛 and 〚36〛, avec le souci majeur de donner à ces subdivisions une valeur de corrélation plus générale. Bien souvent en effet, les dénominations antérieures étaient basées sur des critères essentiellement « minéralogiques », qui avaient une signification surtout locale. D’Orbigny fut le premier à définir, dans les terrains secondaires et tertiaires français, le contenu de détail de plusieurs systèmes, à travers leur expression remarquable dans certaines localités. Il définit huit étages géologiques parmi les 19 qui ont été créés dans le seul bassin de Paris (Table 1).
La plupart des noms des étages ainsi définis ont une origine géographique, soit une ville, une région ou un département. La notion de stratotype était introduite ; même si d’Orbigny ne l’a pas baptisée, elle est contenue dans la définition de ses étages. Citons l’exemple du Cénomanien, décrit en 1847, « la ville du Mans (Cenomanum) étant fondée immédiatement sur le type le mieux caractérisé et le plus complet de l’étage qui nous occupe, sans qu’on puisse le confondre avec les autres » 〚35〛. Au sujet du Tongrien, alors considéré comme un sous-étage du Falunien, d’Orbigny écrivait : « Les environs d’Étampes seront le point étalon pour la France. Nous avions pensé à le nommer étage Stampien, les environs d’Étampes (Stampae) en montrant le plus beau type français. » Mais les approches utilisées pour la caractérisation des étages ont été très diverses pendant plus d’un siècle et demi, conduisant parfois à une confusion quant à la position de leurs limites : la paléontologie avec d’Orbigny 〚35〛 and 〚36〛 pour le Sinémurien ; la minéralogie avec de Lapparent 〚27〛 pour le Lutétien ; la taxonomie avec Haug 〚23〛 pour le Lotharingien ; la micropaléontologie avec Hottinger et Schaub 〚24〛 pour le Biarritzien, etc.
Le stratotype peut définir, soit l’unité dans son ensemble (stratotype d’unité), soit la limite entre deux unités (stratotype de limite). Selon le Guide stratigraphique international de l’Union internationale des sciences géologiques, le stratotype d’une unité stratigraphique définit l’étage correspondant. C’est une coupe type qui sert d’étalon pour la définition et l’identification de l’unité. Mais, comme l’écrit Rat 〚42〛, bien souvent il n’y a pas vraiment une coupe permanente et stable, en particulier dans des formations meubles (par exemple, les argiles de l’Albien). En outre, du fait des conditions d’affleurement, il est parfois impossible de donner une seule coupe de référence. Le stratotype est un volume, un ensemble de formations avec leurs trois dimensions dans 1’espace, que seul un ensemble de coupes dispersées permet bien souvent de décrire.
Par ailleurs, le stratotype parfait n’existe pas. Comme le note encore Rat 〚42〛, « il faudrait que la série sédimentaire 〚d’un stratotype〛 y soit parfaitement complète, sans le moindre hiatus de dépôt. Il faudrait qu’elle soit fossilifère tout au long et de façon homogène, sans les aléas introduits par des changements du milieu. Il faudrait qu’elle contienne des fossiles de tous les groupes pour permettre l’établissement et la confrontation des échelles macro- et micropaléontologiques. II faudrait que la province biologique à laquelle appartient le stratotype ait une extension géographique extrêmement vaste. Il faudrait... ». On considère aujourd’hui que la valeur d’un stratotype dépend de son contenu en marqueurs permettant un positionnement indubitable sur l’échelle chronostratigraphique (ou zonation). Ces marqueurs sont généralement biostratigraphiques, mais également géochimiques (isotopes stables, éléments traces) ou minéralogiques (niveaux repères de cendres volcaniques, etc.).
Le problème principal que pose l’enregistrement sédimentaire est de reconnaître les manques stratigraphiques, hiatus ou lacunes (par non-dépôt ou manque par érosion). Alors que les stratotypes d’unité minimisent l’enregistrement du temps, Rey 〚43〛 souligne que ce sont les stratotypes de limites qui expriment le mieux la durée d’un étage, car ils contiennent tous les éléments permettant de mesurer la discontinuité temporelle entre étages, c’est-à-dire tout le temps non préservé sous forme de sédiments. La limite peut être marquée par des repères scellés sur la coupe. Ce sont les « clous d’or » (point stratigraphique global) de l’enregistrement géologique, associés à un stratotype d’unité. L’évolution des outils permettant au stratigraphe de découper le temps a nécessité que les stratotypes historiques soient souvent complétés, modifiés ou remplacés, donnant lieu, en respectant un principe d’antériorité, à une nomenclature inspirée de la nomenclature taxinomique (parastratotype, hypostratotype, néostratotype, lectostratotype...).
Les concepts développés dans le bassin de Paris
La stratigraphie, dans son acception la plus large : la compréhension des relations espace–temps dans les sédiments, est en partie née dans le bassin de Paris. Les premières cartes géologiques sont issues de ce bassin. Elles datent du milieu du XVIIIe siècle, si l’on prend en compte la carte de Guettard 〚18〛, bien que cette dernière soit seulement lithologique, sans intégrer la notion d’âge des terrains (Fig. 7). La carte géognostique des environs de Paris de Cuvier et Brongniart 〚7〛 est, en revanche, une véritable carte géologique, tandis que celle d’Omalius d’Halloy 〚34〛 est la première carte du bassin de Paris qui montre les auréoles jurassiques, crétacées et tertiaires. Ces cartes furent dessinées à partir des informations de surface (affleurements), essentiellement les coupes dégagées par l’érosion dans les vallées, les cuestas ou sur les falaises de la Manche. La structure en auréoles concentriques, avec les terrains les plus anciens à la périphérie du bassin, était claire. Elle fut rapidement interprétée comme due à la réduction de la taille du domaine marin au cours du temps, le seul épisode transgressif dans cette évolution vers le comblement se plaçant au début du Crétacé supérieur.
Lavoisier dessina une des premières coupes (logs) de terrain, avec un sens de l’observation qui laisse admiratif deux siècles et demi après. Il s’agit d’une coupe du Stampien, publiée en marge de la feuille 55 de l’atlas de Guettard et al. 〚19〛. Les données de sondages hydrologiques effectués au début du XXe siècle permettent alors à Lemoine 〚30〛, professeur de géologie au Muséum, de proposer une coupe du bassin de Paris montrant la disposition concentrique des couches et la position de leur biseau, informations à partir desquelles il évalua la profondeur du bassin à plus de 1000 m (Fig. 8). On peut rappeler ici que le plus ancien sondage profond du bassin de Paris est le forage du puits de Grenelle, exécuté sur l’initiative d’Arago et terminé en 1848, qui mit en évidence les sables albiens à 600 m de profondeur. Les milliers de forages actuellement disponibles permettent des reconstitutions plus précises, mais fondamentalement peu différentes à cette échelle (Fig. 9).
Klüpfel 〚25〛 montra l’agencement préférentiel des sédiments en séquences, prémisse de l’analyse (puis de la stratigraphie) séquentielle. Le modèle stratigraphique séquentiel, dit d’Exxon, fut publié pour la première fois en 1987, dans le Bulletin de la Société géologique de France, avec une application au bassin de Paris 〚49〛. Les progrès les plus significatifs accomplis ces dernières années résident dans la consolidation et la validation des bases de données intégrant les surfaces interpolées par la stratigraphie séquentielle (GOCAD, Fig. 10).
Ajoutons à cela d’autres concepts, tels que les bases de ce que l’on appelle la sédimentologie de faciès, qui furent établies par Lavoisier 〚28〛 sur les falaises de craie de la Manche (la fameuse « loi de Lavoisier » et qui montre, sur une plate-forme marine, une décroissance de la granulométrie des sédiments avec la profondeur). En géomorphologie, de nombreuses idées sont nées en partie ou en totalité dans le bassin de Paris : la notion de cycle géomorphologique 〚8〛 and 〚9〛, le débat sur l’origine des terrasses 〚26〛, l’importance de l’eustatisme 〚2〛, etc. Plus récemment, des concepts importants furent développés et/ou testés sur le bassin de Paris : (1) la notion de subsidence, clairement explicitée par Dufrénoy et Élie de Beaumont 〚14〛, semi-quantifiée par Lemoine (〚30〛, Fig. 11), puis quantifiée et modélisée par Brunet et Le Pichon 〚4〛, dans la lignée des travaux révolutionnaires de McKenzie 〚33〛 ; (2) le concept de maturation de la matière organique, avec l’application aux schistes carton du Toarcien, sous l’impulsion du groupe de l’IFP 〚31〛 ; (3) la modélisation numérique du remplissage des bassins sédimentaires (modélisation dite « stratigraphique » du groupe Shell 〚1〛) ; (4) l’évolution thermique des bassins et les circulations des fluides associées (modélisations 2D et 3D : 〚16〛). Nous ne saurions oublier les travaux de Dollfus 〚13〛 et de Marcel Bertrand 〚3〛, bases de la notion de déformation syn- à post-sédimentaire. La carte isohypse de la base des formations crayeuses du bassin parisien est à ce titre une des premières illustrations de pli lithosphérique (Fig. 12).
Ce survol non exhaustif permet de rendre hommage à de géniaux précurseurs, dont la réflexion a été, soit oubliée, soit réduite, travestie, voire caricaturée, par leurs successeurs. Nous voudrions citer Prévost 〚38〛 and 〚39〛, qui fut un des premiers à comprendre la notion de faciès et de passage latéral de faciès formalisé un an plus tôt par Gressly (〚17〛 in 〚6〛), Lemoine qui, en 1911 〚30〛, publia une synthèse du bassin de Paris avec force coupes et cartes, montrant une parfaite connaissance en volume et en temps du bassin – c’est un des actes fondateurs de la géologie de bassin –, de Martonne 〚32〛 qui, dans une magistrale synthèse en 1947, montra, pour l’évolution tertiaire du bassin de Paris, les relations entre déformation, géomorphologie et « formations superficielles », synthèse probablement trop précocement interdisciplinaire (Fig. 13).
Il en va de nos connaissances comme du niveau relatif de la mer : il y a des transgressions et des régressions, illustration de la relation entre temps sagittal et temps cyclique 〚12〛. Ainsi, pour la stratigraphie et la géomorphologie, les années quarante et cinquante ont été marquées par une grande régression, avec oubli des travaux des précurseurs. Il n’est, pour s’en convaincre, que de regarder la différence entre les travaux réalisés dans le monde pétrolier et ceux produits par le monde académique à cette époque. Pour progresser à nouveau, la stratigraphie moderne doit se réapproprier les concepts fondateurs des cycles sédimentaires et de leur utilisation, exprimés clairement il y a plus de cent ans, notamment dans le bassin de Paris, et que les outils modernes permettent de valider via la quantification. C’est cette leçon que nous donne aujourd’hui l’exercice de la stratigraphie séquentielle.
Un des grands résultats de la stratigraphie séquentielle dans le bassin de Paris est d’avoir démontré l’identité entre étage et cycles stratigraphiques (Fig. 2). En effet, cette identité n’est pas triviale, car la définition des étages repose sur des critères d’apparition et de disparition d’espèces, le renouvellement étant brutalement accéléré aux limites d’étages (les « catastrophes » de Cuvier et d’Orbigny). La stratigraphie séquentielle montre que, dans la plupart des cas, ce n’est pas l’évolution intrinsèque du monde vivant qui fonde les changements survenant aux limites d’étages. Ces changements sont expliqués par les changements de milieu, physico-chimiques, qui contrôlent les changements écologiques. Les limites biologiques suivent les surfaces temporelles correspondant à des ruptures sédimentaires, souvent marquées par des lacunes ou des hiatus. La stratigraphie séquentielle permet d’expliquer l’allure saccadée de certaines courbes d’évolution de fossiles (marqueurs temps et marqueurs de milieux) par la simple variation de préservation du temps (ou de vitesse de sédimentation). Il n’est, dans ce cas, pas nécessaire de faire appel à la théorie des équilibres ponctués (ceux-ci pouvant avoir par ailleurs des moteurs écologiques intrinsèques, qu’il n’est pas notre propos de discuter).
La limite d’étage, dans le Méso-Cénozoïque du bassin de Paris, correspond à une transgression soulignée par une discordance (le mot transgression fut banalisé dans la seconde moitié du XIXe siècle). Il est aujourd’hui démontré que l’étage selon d’Orbigny représente un cycle transgressif–régressif pouvant servir de référence : les études sédimentologiques et stratigraphiques séquentielles des vingt dernières années ont ré-inventé l’étage comme un ordre de durée des cycles stratigraphiques et ont montré qu’il s’agissait d’événements globaux.
Cette ré-actualisation de la notion d’étage ne réhabilite pas un néo-catastrophisme, très à la vogue ces dernières années. En effet, un apport majeur de la stratigraphie séquentielle a été de montrer que ces discontinuités (discordances, surfaces de non-conformité, etc.) étaient l’expression du paroxysme de processus continus, comme la variation du niveau relatif de la mer (une surface de non-conformité correspond au point d’inflexion de chute d’une baisse du niveau relatif de la mer).
Cela pose de nombreuses questions : un étage ne peut-il être défini autrement que sur une discontinuité naturelle ? Que signifie la recherche d’un enregistrement paléontologique continu, puisque la définition d’un étage est un renouvellement drastique des faunes et des flores ? Comment les biais de la préservation des systèmes sédimentaires, donc des archives paléontologiques, perturbent-ils nos visions de l’évolution des faunes et des flores ?
Conclusion
Le défi du stratigraphe est de reconstituer l’histoire de la Terre dans un temps continu à partir d’enregistrements fondamentalement discontinus. Après les avancées fondamentales du XIXe et du début du XXe siècle, les progrès réalisés depuis 30 ans en matière de reconnaissance et d’imagerie de l’intérieur de la Terre fournissent aujourd’hui à la stratigraphie et à la paléontologie 〚12〛 les informations nécessaires pour compléter cette histoire. Les stratotypes, demeurent, face aux techniques actuelles, une référence concrète patrimoniale 〚11〛, puisqu’ils expriment des discontinuités à l’échelle du Globe.
Remerciements
Nous avons bénéficié du soutien financier et logistique de nos établissements respectifs. Nous exprimons notre reconnaissance à E. Cambreleng (Géologie, MNHN) pour les figures, à R. Dalrymple (Queen’s University, Ontario, Canada) pour les traductions anglaises) et à M. Durand-Delga et P. Taquet pour les commentaires fructueux lors de la lecture critique du manuscrit.
Abridged versionStratigraphy: the book of Earth History
Sedimentary rocks are the most complete archive of earth history, even though they consist fundamentally of gaps. This history is a four-dimension puzzle (x, y, z, and t). Intracratonic basins, the subsidence of which continues because of cooling of the lithosphere over an interval of 100 to 200 Myr, are the best candidates for the preservation of the stratigraphic memory.
The Paris Basin
The Paris Basin is the cradle of stratigraphy. It is a lithospheric flexure 600 km across and accumulated more than 3000 m of deposits in the Mesozoic and Cainozoic (last 250 Myr). The limits of the Paris Basin, at the junction with the Hercynian basement, correspond to the limits of recent erosion, in response to recent uplift (infilling since less than 65 Myr) (Fig. 1)
The Paris Basin exhibits a sedimentation cycle at least 240 million-year long (Fig. 2). The transgressive phase begins with large Permian lakes, which were succeeded by widespread fluvial deposition and evaporitic flats of the Triassic, and ended with the carbonate platforms of the Upper Jurassic. This phase records a period of extension in response to plate divergence associated with the break-up of Pangea. The regressive phase was accompanied by a dissection of the new margins, with three periods of terrestrial exposure, one brief at the base of the Cretaceous, a more important and recurring period near the Cretaceous–Tertiary boundary, and then permanently from the Oligocene.
Geodynamically, the Paris Basin is first an intracratonic basin in an extensional regime (Triassic–Cretaceous), and then a compressive basin (Cretaceous to Present) in response to the convergence of Africa and Eurasia. At the temporal scale of the stratigraphic stages, the basin records the deformations/movements of the western European lithospheric plates (Fig. 3), on which are superimposed large eustatic variations and global climate 〚45〛 and 〚46〛.
The advent of stratotypes
Whereas many of the older nomenclature schemes for sedimentary formations express their petrographic nature (‘coal’, ‘old red sandstone’, ‘coralline’, ‘chalk’), stratigraphic correlations based only on petrographic characteristics were generally invalid. The establishment of the relative age of successive beds is, of course, the easiest stage, by the simple application of the Principle of Superposition. Since W. Smith 〚48〛, the synchronism of geologic units is established by the presence of common fossils in diverse deposits (biostratigraphy).
The notion of ‘stage’ was introduced in 1842 by d’Orbigny 〚35〛, with the concern of giving these subdivisions a more general value. Very often, in fact, the previous names were based on essentially ‘mineralogical’ criteria. D’Orbigny was the first to define, in the Mesozoic and Cainozoic sedimentary formations of France, the detailed contents of several systems, through their remarkable expression in certain localities. He defined eight amongst the 19 stages that were created in the whole Paris Basin (Table 1). The stratotype can be defined either as a unit in its entirety (unit stratotype), or as the boundary between two units (boundary stratotype). The main problem posed by the stratigraphic record is to present the stratigraphic breaks, hiatus or lacunae (by non-deposition or erosional break). Boundary stratotypes best express the duration of a stage, because they contain the elements that allow measurements of the temporal discontinuity between stages, that is to say the entire time is not preserved in the form of sediments. The boundary can be indicated by fixed markers on the related outcrops. These are the ‘Golden Spikes’ (Global Stratigraphic Point) of the geological record, associated with a unit stratotype.
The concepts developed in the Paris Basin
The first geological maps were established in the Paris Basin. They date from the middle of the 18th century (〚18〛; Fig. 7), but in 1811 Cuvier and Brongniart presented a real geological map 〚7〛. These maps were designed from surface information (outcrops), essentially cuts produced by erosion in valleys, on cuestas, or on the cliffs along the English Channel.
Information from water wells obtained at the start of the 20th century allowed Lemoine 〚30〛 to propose a cross-section throughout the entire basin, showing the concentric disposition of beds and to evaluate the depth of the basin to be more than 1000 m (Fig. 8). The very significant progress accomplished these last years resides in the consolidation and validation of the facts (thousands of borings), integrating the interpolated surfaces using sequence stratigraphy (Fig. 9).
The bases of what one calls the sedimentology of facies were established by Lavoisier 〚28〛 on the chalk cliffs of the English Channel (Fig. 6). Prévost 〚37〛, 〚38〛 and 〚39〛 was one of the first to understand the notion of facies and the lateral transition of facies formalised the preceding year by Gressly (〚17〛 in 〚6〛). In geomorphology, numerous ideas were born in part of in whole in the Paris Basin: the idea of geomorphic cycles 〚8〛 and 〚9〛, the debate on the origin of terraces 〚26〛, the importance of eustacy 〚2〛; etc. More recently, important concepts were developed and/or tested on the Paris Basin: (1) the notion of subsidence, clearly articulated by Dufrénoy and Élie de Beaumont 〚14〛, partially quantified by Lemoine (〚30〛; Fig. 11), and then quantified and modelled by Brunet and Le Pichon 〚4〛, following the revolutionary work of McKenzie 〚33〛; (2) the concept of the maturation of organic material, with the application to the ‘schistes carton’ of the Toarcian, under the impetus of the IFP group 〚31〛; (3) the numerical modelling of the filling of sedimentary basins 〚1〛; (4) the thermal evolution of basins and the circulation of the associated fluids 〚16〛.
One of the major results of sequence stratigraphy in the Paris Basin is to have demonstrated the match between stages and stratigraphic cycles (Fig. 4). In fact, this correspondence is not trivial, because the definition of stages rests on the criteria of the appearance and disappearance of species; the turnover is greatly accelerated at the boundaries of stages (the ‘catastrophes’ of Cuvier and d’Orbigny). Sequence stratigraphy shows that, in most cases, it is not the intrinsic evolution of the living world that underlies the change occurring at the stage boundaries. The biological boundaries follow the temporal surfaces corresponding to the sedimentary breaks that are commonly marked by lacunae or hiatuses. The limits of stages, in the Mesozoic and the Cainozoic of the Paris Basin, correspond to a transgression emphasised by a discordance. It is now shown that the stage as defined by d’Orbigny represents a transgressive–regressive cycle. This re-definition of the concept of stage does not rehabilitate the principle of neo-catastrophism. Indeed, a major result of sequence stratigraphy was to show that the discontinuities (discordances, non-conformable surfaces, etc.) were the expression of continuous processes, such as the variation of relative sea level.
This raises numerous questions. Can a stage be defined only by means of a natural discontinuity? What is the significance of the search for a continuous palaeontological record since the definition of stage is a drastic turnover of the fauna and flora? How do the biases in the preservation of sedimentary systems, such as the palaeontological archive, perturb our vision of the evolution of animals and plants?
Conclusion
The challenge of stratigraphy is to reconstruct a temporally continuous history of the Earth on the basis of a record that is fundamentally discontinuous. Stratotypes remain, despite present-day techniques, a concrete reference heritage, because they record discontinuities at the global scale.
AignerT.Stratigraphic modelling of epicontinental basins: two applicationsSediment. Geol.691990167–190H. Baulig, Les hauts niveaux d'érosion eustatique dans le bassin de Paris, Ann. Géogr. 37 (1928) (208) 289–305 ; (209) 385-406BertrandM.Sur la continuité du phénomène de plissement dans le bassin de ParisBull. Soc. géol. France2031892118–165BrunetM.-F.Le PichonX.Subsidence of the Paris BasinJ. Geophys. Res.8719828547–8560CavelierC.RogerJ.Les étages français et leurs stratotypesMém. BRGM10919801–295CrossT.A.HomewoodP.W.Amanz Gressly's role in founding modern stratigraphyGeol. Soc. Am. Bull.10919971617–1630CuvierG.BrongniartA.Essai sur la géographie minéralogique des environs de Paris, avec une carte géognosique, et des coupes de terrain1811, 278 pBaudouinParisDavisW.M.La Seine, la Meuse et la MoselleAnn. Géogr. V189525–49DavisW.M.The Geographical cycle8th Geogr. J.141899481–504DercourtJGaetaniMVrielynckBBarrierEBiju-DuvalBBrunetM.-FCadetJ.-PCrasquinSSandulescuMAtlas peri-Téthys. Paleogeographical maps2000, 24 plComité de la Carte géologique du Monde (CCGM/CGMW)ParisDe WeverP.CornéeA.La notion de stratotypeLe Lutétien, la pierre de Paris, Muséum national d'histoire naturelle20006–13De WeverP.Le Temps mesuré par les sciencesl'homme à l'échelle géologique2002Vuibert/MNHN130 pDollfusG.F.Recherches sur les ondulations des couches tertiaires dans le bassin de ParisBull. Serv. Carte géol. France2141890116–186DufrénoyA.Élie de BeaumontL.Explication de la carte géologique de la France, Imprimerie nationale, 21848EnayR.Synthèse paléogéographique du Jurassique français, Doc. Lab. Géol., Lyon, Hors Série 51980210 pGaulierJ.-M.BurrusJ.Modeling present and past thermal regimes in the Paris Basin: petroleum implicationsMascleAHydrocarbon and petroleum geology of France, Spec. Publ. Eur. Assoc. Petrol. Geoscientists, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg4199461–73GresslyA.Observations géologiques sur le Jura soleuroisNouveaux Mémoires de la Société helvétique des Sciences naturelles, Neufchâtel 21838349 pGuettardJ.-E.Mémoire et carte géologique, Sur la nature des terreins qui traversent la France et l'AngleterreMém. Acad. R. Sci.1746363–393GuettardJ.-E.MonnetA.-G.LavoisierA.-L.Atlas et description minéralogique de la France, Entrepris par ordre du Roi, Fontainebleau1767Estampes et DourdanParisGuillocheauF.Mise en évidence de grands cycles transgression–régression d'origine tectonique dans les sédiments mésozoïques du bassin de ParisC. R. Acad. Sci. Paris, Ser. II31219911587–1593GuillocheauF.Évolution géodynamique du bassin de Paris : apport d'une base de données stratigraphique 3DBulletin d'information des géologues du bassin de Paris3619993–35GuillocheauF.Meso-Cenozoic geodynamic evolution of the Paris Basin: 3D stratigraphic constraintsGeodin. Acta132000189–246HaugE.Traité de géologie, IILes périodes géologiques, Armand Colin, 21910929–1396HottingerL.SchaubH.Zur Stufeneinteilung des Paleocaens und Eocaens. Einführung der Stufen Ilerdien und BiarritzienEclog. Geol. Helv.5311960453–479KlüpfelW.Über die Sedimente der Flachsee im Lothringer JuraGeol. Rundsch.7191797–109de LamotheG.Les anciennes nappes alluviales et les lignes de rivage de la SommeBull. Soc. géol. FranceXVIII19183–58de LapparentA.Traité de géologie, Paris1883280 pA.L. Lavoisier, Sur les couches horizontales qui ont été déposées par la mer et sur les conséquences qu'on peut tirer de leur disposition relativement à l'ancienneté du globe terrestre, Mém. Acad. Sci. Paris (1789) (publié en 1793) 351–371LefavraisA.LorenzC.LorenzJ.Le Massif central au Lias : comparaison entre ses bordures nord et sud à l'ouest du Grand Sillon houillerBulletin d'information des géologues du bassin de Paris2719903–14LemoineP.Géologie du bassin de Paris, Librairie scientifique1911, 408 pA. Hermann & FilsParisLouisM.Études géochimiques sur les « schistes cartons » du Toarcien du bassin de ParisAdv. Org. Geochem.xxx196485–94de MartonneE.Géographie physique de la France. Chapitre II : le Bassin parisien1947Librairie Armand ColinParis27–79McKenzieD.Some remarks on the development of sedimentary basinsEarth Planet. Sci. Lett.40197825–32Omalius d'HalloyJ.-B.Mémoire sur l'étendue géographique du terrain des environs de Paris1816d'OrbignyA.Paléontologie française, Paris1842–1860, 9 volsd'OrbignyA.Cours élémentaire de paléontologie et de géologie stratigraphiques1849–1852, 3 volsPrévostC.Explication des figures jointes à la communication précédente. Légende théorique indiquant les rapports généraux des diverses formations des Terrains tertiaires du bassin de ParisBull. Soc. géol. FranceIX1838329–331pl. 7PrévostC.Sol, roche, formation, et terrainBull. Soc. géol. France1101839340–345PrévostC.Sur la chronologie des terrains et le synchronisme des formationsBull. Soc. géol. France221845366–373PrijacC.DoinM.-P.GaulierJ.-M.GuillocheauF.Subsidence of the Paris Basin and its bearing on the Late Variscan lithosphere evolution: a comparison between Plate and Chablis modelsTectonophysics32320001–38QuenstedtF.A.Der Jura, Tübingen, Atlas1858, 848 p., 100 plRatP.IntroductionCavelierCRogerJLes étages français et leurs stratotypes, Mém. BRGM10919803–5ReyJStratigraphie, terminologie française, Bull. Centres Rech.Explor.-Prod. Elf Aquitaine, Mém.191997, 164 pReynaudJ.-Y.TessierB.ProustJ.-N.DalrympleR.W.BourilletJ.-F.De BatistM.LericolaisG.BernéS.MarssetT.Architecture and sequence stratigraphy of a Late Neogene incised valley at the shelf margin, Southern Celtic SeaJ. Sediment. Res.6921999351–364RobinC.Mesure stratigraphique de la déformation. Application à l'évolution jurassique du bassin de Paris, thèse, université Rennes-1 et Mém. Géosci. Rennes, 771997, 293 pRobinC.Échelles de temps et d'espace du contrôle tectonique d'un bassin flexural intracratonique : le bassin de ParisBull. Soc. géol. France1712000180–196RobinC.AllemandP.BurovE.DoinM.-P.GuillocheauF.DromartG.GarciaJ.-P.Thermo-mechanical characteristics of the Paris Basin (Triassic–Pleistocene): from 3D stratigraphic database to numerical modelsGeol. Soc. London, Spec. Publ.sous presseSmithW.A memoir to map and delineation of the strata of England and Wales1815VailP.R.La stratigraphie séquentielle et son application aux corrélations chronostratigraphiques dans le Jurassique du bassin de ParisBull. Soc. géol. France8319871301–1321VeizerJ.D.AlaD.AzmyK.BruckschenP.BuhlD.BruhnF.CardenG.A.F.DienerA.EbnethS.GodderisY.JasperT.KorteC.PawellekF.PodlahaO.G.StraussH.87Sr/86Sr, δ13C and δ18O evolution of Phanerozoic seawaterChem. Geol.161199959–88von BuchL.Über den Jura in DeutschlandAbh. d. k. Akad. d. Wiss183749–136WynsR.BitriA.GuillocheauF.Le fond du Graben de Rennes préserve-t-il un témoin de l'ancienne couverture mésozoïque du Massif armoricain détruite au Tertiaire ?Réunion des sciences de la Terre, Nantes, Résumés2002231–232
Principales unités géologiques ou géomorphologiques du bassin de Paris et des régions environnantes, d’après 〚22〛.
Main geomorphological or geological units of the Paris Basin and surrounding areas, after 〚22〛.
Log stratigraphique du bassin de Paris, au sondage La Folie de Paris (Brie). Les changements de milieu sédimentaire, corrélés aux variations eustatiques, correspondent également aux limites de cycles d’étages et de sous-systèmes définis par la biostratigraphie.
Stratigraphic column of the Paris Basin at the La Folie de Paris drill site (Brie). The changes of depositional environment, correlated to eustatic variations, match also the stratigraphic stages and sub-system boundaries as defined by biostratigraphy.
Écorché anté-albien du bassin de Paris, montrant la déformation des assises mésozoïques en rapport avec l’émergence du socle dès le Crétacé inférieur. Les cœurs de synclinaux sont repérés par un trait noir, les zones de surrection sont indiquées en rose (flèche grise = direction de basculement).
Pre-albian structural map of the Paris Basin, showing the deformation of Mesozoic strata as related to the uplift of basement starting in the Lower Cretaceous. The main synclines are drawn in black, uplifting areas displayed in pink (grey arrow = downward tilt direction).
Courbe de la composition isotopique du strontium dans l’eau de mer au cours des temps méso-cénozoïques. Les maxima relatifs apparaissent corrélés avec les paroxysmes orogéniques. Les minima correspondent aux phases d’aplanissement des reliefs. Les grands cycles stratigraphiques sont exprimés à cette échelle dans le premier ordre de la structure des marges passives. Le rifting du Trias, qui conditionne l’ouverture du bassin de Paris, est bien visible, d’après 〚50〛.
Strontium isotopic curve for the global ocean during Meso-Cainozoic times. Local maximums match orogenic paroxysms. Minima match periods of low continental relief. The long-term stratigraphic cycles are expressed at this scale in the first order of passive margin stratigraphic pattern. The Trias rifting phase, during which the Paris Basin opens, is well expressed, from 〚50〛.
Évolution latitudinale de Paris au cours du Méso-Cénozoïque 〚10〛. Au refroidissement global enregistré au cours du Cénozoïque, par le développement puis la mise en place des calottes polaires, s’ajoute un refroidissement local lié au déplacement vers le nord de 30° du continent ouest-européen.
Latitudinal evolution of Paris during Meso-Cainozoic times 〚10〛, pointing to a general cooling due to a 30° shift of the western European plate toward the North Pole. This adds to the global cooling that occurs during the Cainozoic.
Schéma de Lavoisier 〚28〛 intitulé Destruction des falaises de craie sur les bords de la mer, permettant d’expliquer la formation des bancs « littoraux » et « pélagiens ».
Drawing from Lavoisier 〚28〛, originally entitled Collapse of chalky cliffs at the shoreline, explaining the formation of ‘littoral’ and ‘pelagian’ beds.
Carte minéralogique où l’on voit la nature et la situation des terreins qui traversent la France et l’Angleterre, par Jean-Étienne Guettard 〚18〛. Carte publiée en 1746 par l’Académie des sciences.
Map by Jean-Étienne Guettard 〚18〛, published in 1746 by the Academy of Sciences of Paris under the title Mineralogic map where one can see the nature of the fields crossing France and England.
Coupe schématique du bassin de Paris, montrant la disposition en cuvettes concentriques des assises successives, d’après Lemoine 〚30〛.
Schematic cross-section of the Paris Basin, showing the dish-like pattern of successive strata, after Lemoine 〚30〛.
Coupe stratigraphique du bassin de Paris, intégrant la connaissance actuelle du sous-sol (sismique ECORS, forages profonds, révisions biostratigraphiques, stratigraphie séquentielle, etc.).
Stratigraphic cross-section of the Paris Basin derived from subsurface interpolated data (ECORS seismics, deep logged drill holes), and based on a revisited biostratigraphic and sequence stratigraphic framework.
Bloc-diagramme 3D du remplissage du bassin de Paris. Modélisation GOCAD
3D block-diagram of the Paris Basin fill interpolated under GOCAD.
Courbe des variations du niveau de la surface et du fond du bassin de Paris 〚30〛. Ce travail représente une des premières approches publiées de la subsidence. Dans les grandes lignes, ces données sont toujours valides. À noter que les variations du niveau de la surface traduisent ici le paramètre eustatique.
Level variation of the topographic surface and of the basin floor of the Paris Basin 〚30〛. This work represents one of the earliest published approaches of subsidence. In a general manner, these data are still valid. Note that here surface variation reflects eustacy.
Carte isohypse de la base de la craie dans le Bassin parisien (d’après Dollfus 〚13〛). Les isobathes à la base du Crétacé supérieur dessinent un vaste synclinal orienté SSW–NNE, repris par des structures transverses de plus petite longueur d’onde. C’est l’expression du pli lithosphérique qui contrôle la restriction au Tertiaire de la sédimentation dans la région parisienne (en jaune, isohypses inférieurs à 60 m ; en vert, ceux supérieurs à 200 m).
Hypsometric map of the chalk base (Upper Cretaceous lower boundary) in the Paris Basin (after Dollfus 〚13〛). Isohypses exhibit a wide syncline directed SSW–NNE, which is dissected by transverse structures of smaller wavelength. This reflects a lithospheric fold at the origin of the restriction of sedimentation in the area surrounding Paris during the Cainozoic (isohypses below 60 m are displayed in yellow, those above 200 m in green).
Carte des formations superficielles continentales (d’après de Martonne 〚32〛). Ce document montre, pour la première fois, la nature des altérites produites et concentrées sur les morphologies continentales du bassin, permettant de quantifier les taux de dénudation et de cette façon des mouvements verticaux du bassin de Paris au Tertiaire. 1, Massifs anciens ; 2, argiles à silex ; 3, absence d’argiles à silex ; 4, grès à Sabalites ; 5, limite de la mer des faluns ; 6, sables de Sologne ; 7, sidérolithe ; 8, sables de Lozère ; 9, grès sauvages (pierre de stone) assimilables au grès à Sabalites ; 10, gisement du Miocène continental fossilifère.
Map of continental surficial formations (after de Martonne 〚32〛). This document was the first published to show the nature of alterites produced and concentrated above landforms of the raised Paris Basin, allowing quantification of the rate of denudation and, further, vertical movements of the basin during the Upper Cainozoic. 1, Pre-Mesozoic basement; 2, flint clay; 3, no flint clay; 4, Sabalite sandstone; 5, Miocene ‘faluns’ seaway limits; 6, Sologne sands; 7, siderolithic; 8, Lozère sands; 9, savage sandstones, assimilated to Sabalite sandstone; 10, ore of fossiliferous subaerial deposits.
Liste des stratotypes définis dans le bassin de Paris (d’après Cavelier et Roger 〚5〛) dont 8 furent décrits par d’Orbigny. En italiques, les stratotypes désuets dans l’Échelle de stratigraphie internationale. On notera que beaucoup des stratotypes de d’Orbigny restent valides.
List of the stratotypes defined in the Paris Basin (after Cavelier and Roger 〚5〛), among which eight were described by d’Orbigny. In italics are reported stratotypes no longer used in the International Stratigraphic Scale. Note that most of d’Orbigny’s stratotypes remain valid.
Stratotypes définis dans le bassin de ParisÉtagesOrigineAuteursHettanglen(Hettange-Grande, Moselle)Renevier, 1864Sinémurien(Semur-en-Auxois, Yonne)D’Orbigny, 1849–1850Lotharingien(Lorraine ; de Lotharingie, province carolingienne)Haug, 1910Toarcien(Thouars, Deux-Sèvres)d’Orbigny, 1849Bajocien(Bayeux, Calvados)d’Orbigny, 1849Vésulien(Vesoul, Haute-Saône)Marcou, 1848Séquanien(des Séquanes, tribu gauloise de sources de la Seine)Marcou, 1848Albien(de Alba , rivière l’Aube, Aube)d’Orbigny, 1842Cénomanien(Cenomanum 〚nom latin du Mans〛, Sarthe)d’Orbigny, 1847Turonien(Tours, Indre-et-Loire)d’Orbigny, 1842Sénonien(Sens, Yonne ; de la tribu gauloise des Sénones)d’Orbigny, 1842Sparnacien(Sparnacum 〚nom latin d’Épernay〛, Marne)Dollfus, 1880Cuisien(Cuise-la-Motte, Oise)Dollfus, 1880Lutétien(Lutetia 〚nom latin de Paris〛)De Lapparent, 1883Auversien(Auvers-sur-Oise, Val-d’Oise)Dollfus, 1880Marinesien(Marines, Val-d’Oise)Dollfus, 1907Ludien(Ludes, Marne)Munier-Chalmas et de Lapparent, 1893Sannoisien(Sannois, Val-d’Oise)Munier-Chalmas et de Lapparent, 1893Stampien(Stampae 〚nom latin d’Étampes〛, Essonne)d’Orbigny, 1852