L'échelle des temps géologiques

Classer de la plus longue à la plus courte ces unités de l'échelle des temps géologiques : époque, éon, période et ère. Donner un exemple réel de chacune.

Nommer les quatre éons de l'histoire de la Terre, les classer du plus ancien au plus récent et indiquer dans lequel nous vivons et depuis quand, approximativement.

L'éon Phanérozoïque a commencé il y a $541$ millions d'années et la Terre s'est formée il y a environ $4\,600$ millions d'années. Calculer quel pourcentage de l'histoire de la Terre occupe le Phanérozoïque et expliquer pourquoi les éons antérieurs (le « Précambrien ») sont beaucoup moins bien connus.

Nommer les trois ères de l'éon Phanérozoïque, les classer de la plus ancienne à la plus récente et citer un groupe d'êtres vivants caractéristique de chacune.

Situer dans l'ère et, si possible, dans la période correspondante chacun de ces événements : l'extinction des dinosaures non aviens, l'apparition du genre Homo et l'« explosion cambrienne » des animaux.

Quel événement marque le début de l'éon Phanérozoïque et de la période du Cambrien ? Expliquer ce qu'a été l'« explosion cambrienne » et quel changement elle représente dans le registre fossile.

Situer la période du Crétacé en répondant aux questions suivantes :

1. a) À quelle ère géologique appartient-elle ?
2. b) Entre quels âges approximatifs (en millions d'années) s'étend-elle ?
3. c) Quel événement l'a clôturée ?

Le schéma résume les grands intervalles du temps géologique (éons et ères) avec leurs âges limites. Nommer l'intervalle signalé par « ? », indiquer entre quels âges il s'étend et citer un événement biologique important survenu pendant celui-ci.

Le Mésozoïque s'étend d'il y a $252$ millions d'années jusqu'à il y a $66$ millions d'années. Calculer sa durée et le pourcentage du Phanérozoïque ($541$ millions d'années) qu'il représente, en arrondissant le résultat.

L'échelle des temps géologiques comporte des intervalles de durée très inégale, contrairement aux heures d'une horloge. Expliquer pourquoi ses limites sont placées sur des événements (extinctions, changements dans les faunes) et non à intervalles de temps égaux.

Expliquer pourquoi les limites entre les ères de l'échelle des temps géologiques coïncident avec des extinctions massives, et prendre comme exemple la limite entre le Mésozoïque et le Cénozoïque, en indiquant ce qui l'a provoquée.

L'extinction de la fin du Permien fut la plus importante de l'histoire : les trilobites et l'immense majorité des espèces marines ont disparu. Expliquer quelle ère elle a clôturée, quels groupes ont profité du vide écologique qui a suivi et quel lien cette crise a avec le début de l'ère des dinosaures.

On estime que le taux d'extinction de fond au cours du Phanérozoïque était de 0,1 à 1 extinction par million d'espèces et par an (E/MSY). Lors de la grande crise de la fin du Permien (~$252$ Ma), environ $95\ \%$ des espèces marines ont disparu en un intervalle d'environ $60\,000$ ans. Actuellement, les estimations situent le taux d'extinction dû à l'action de l'être humain entre 100 et $1\,000$ E/MSY.

1. a) À partir de ces données, comparer le taux moyen d'extinction au Permien avec le taux actuel. Expliquer pourquoi la crise contemporaine est qualifiée de potentielle « sixième extinction » alors que le nombre absolu d'espèces disparues documentées par l'UICN au cours des derniers siècles est très inférieur à celui des cinq grandes extinctions géologiques.
2. b) Analyser les biais taphonomiques du registre fossile marin qui compliquent la comparaison directe entre les courbes historiques de diversité (comme celle de Sepkoski) et les recensements modernes de la biodiversité terrestre.
3. c) Prévoir quels biofaciès et lithofaciès caractéristiques un paléontologue trouverait dans 50 millions d'années dans les sédiments correspondant à notre époque si le rythme actuel de transformation par l'être humain se poursuit.

Dans un sondage stratigraphique continu à travers la limite entre deux périodes géologiques où a eu lieu une grande extinction de masse, les anomalies géochimiques et sédimentaires suivantes ont été relevées :

1. Une excursion négative abrupte et globale du $\delta^{13}\text{C}$ de plus de $-5\ ‰$.

2. Une chute brutale du $\delta^{18}\text{O}$ dans les carbonates, qui révèle un réchauffement de la colonne d'eau océanique compris entre $8\ \text{°C}$ et $10\ \text{°C}$.

3. Un horizon euxinique généralisé (schistes noirs avec framboïdes de pyrite et enrichissement en vanadium et en uranium).

4. Absence totale d'anomalies en iridium, de sphérules d'impact ou de quartz choqué dans l'argile de transition.

1. a) Déduire à laquelle des deux extinctions les plus étudiées (fin du Permien ou fin du Crétacé) correspondent ces données, en justifiant le choix et en réfutant l'autre par deux arguments appuyés sur les observations décrites.
2. b) Reconstituer la chaîne de causes et d'effets biogéochimique qui relie le volcanisme des trapps continentaux à la chute du $\delta^{13}\text{C}$, à l'effet de serre global, à la déstabilisation des hydrates de méthane et à l'anoxie marine profonde.
3. c) À partir du mécanisme causal reconstitué, évaluer de façon critique pourquoi cet événement du passé géologique constitue un modèle d'alerte beaucoup plus proche et analogue de la crise climatique anthropique actuelle que l'événement de la limite Crétacé-Paléogène.

Le registre stratigraphique postérieur aux extinctions de masse montre que, après l'effondrement de la fin du Permien, la biosphère a mis entre 5 et 10 millions d'années à retrouver les niveaux de base de richesse taxonomique et de complexité structurelle. Au Trias inférieur, on observe un « effet Lilliput » généralisé, la prolifération massive de « taxons opportunistes » comme le synapside Lystrosaurus et un long « hiatus récifal » de plusieurs millions d'années sans constructions coralliennes.

1. a) Expliquer d'un point de vue écologique pourquoi la restauration de la diversité n'est pas explosive et immédiate bien que des milliers de niches écologiques soient restées vacantes, en détaillant le rôle de la dégradation des cycles biogéochimiques et de la rupture des réseaux trophiques à plusieurs niveaux.
2. b) Expliquer les adaptations physiologiques et les stratégies écologiques (stratèges r vs K, généralistes vs spécialistes) qui font d'organismes comme Lystrosaurus les dominants d'une planète en crise et provoquent la réduction temporaire de la taille des individus (effet Lilliput).
3. c) Si l'extinction anthropique actuelle provoquait l'effondrement des récifs coralliens et des forêts tropicales, estimer combien de générations humaines ($1\ \text{génération} \approx 25\ \text{ans}$) seraient nécessaires pour que la biosphère reconstitue des structures écologiques de complexité équivalente, à partir d'une échelle de récupération de 5 millions d'années. Tirer une conclusion sur la raison pour laquelle envisager les décisions de conservation dans la perspective du temps géologique rend caduque la viabilité d'une gestion à court terme.

Les limites officielles de l'échelle sont fixées dans des coupes précises appelées stratotypes ou « clous d'or » (GSSP). Expliquer ce qu'est un clou d'or, pourquoi il faut convenir d'un lieu physique pour chaque limite et quelles caractéristiques cette coupe doit réunir.

Certains scientifiques proposent de reconnaître une nouvelle époque : l'Anthropocène. Expliquer quels marqueurs géologiques la caractériseraient (radionucléides issus des bombes, plastiques, cendres de charbon, changement dans les faunes) et pourquoi d'autres géologues hésitent à la officialiser.

Une équipe de géologues analyse deux colonnes stratigraphiques continues de 150 mètres d'épaisseur : la colonne A correspond à la période du Jurassique ($201$-$145$ Ma) et la colonne B appartient à un bassin sédimentaire de l'Archéen ($3\,200$-$3\,000$ Ma).

1. a) Justifier pourquoi, dans la colonne A, il est possible d'établir une chronologie de haute résolution en subdivisant les strates en biozones de seulement quelques centaines de milliers d'années, alors que, dans la colonne B, cette méthode est totalement inapplicable. Quelles conditions biologiques et taphonomiques propres au Phanérozoïque l'expliquent ?
2. b) Concevoir une stratégie géochronologique pour dater et corréler les strates de la colonne B. Préciser quelles méthodes isotopiques ou géochimiques seraient employées et quels obstacles liés au cycle lithologique (métamorphisme, diagenèse, tectonique) il faudra prévoir en raison de l'ancienneté des matériaux.
3. c) Réfuter la conclusion suivante d'un élève : « Comme l'Archéen a duré plus de trois fois plus longtemps que tout le Phanérozoïque, son registre stratigraphique devrait être beaucoup plus étendu et plus facile à déchiffrer que celui du Jurassique ».

La Commission internationale de stratigraphie (ICS) définit les limites entre les unités de l'échelle des temps géologiques au moyen de stratotypes de limite globaux (GSSP ou « clous d'or »).

Imaginer que vous faites partie du comité qui doit choisir entre deux propositions pour marquer la limite basale d'un nouvel étage géologique :

• Proposition A : un enregistrement dans une stalagmite d'une grotte karstique qui montre un signal de $\delta^{18}\text{O}$ synchrone à l'échelle planétaire (mégasécheresse globale abrupte), daté avec une très grande précision radiométrique par les séries de l'uranium ($^{230}\text{Th}/^{234}\text{U}$) à $4\,200$ ans avant le présent.

• Proposition B : une coupe sédimentaire marine contenant la disparition locale d'un foraminifère benthique, avec une datation par corrélation biostratigraphique d'environ $\pm 1,5$ Ma.

1. a) Justifier laquelle des deux propositions réunit les critères géologiques formels pour être approuvée comme GSSP (résolution, corrélation globale, isochronie et conservation), en expliquant les défauts de la proposition écartée.
2. b) Au cours des dernières décennies, la base de la période du Cambrien a été ajustée d'environ $570$ Ma jusqu'à être fixée à $538,8 \pm 0,2$ Ma. Expliquer quelles avancées des techniques de datation radiométrique (par exemple l'ID-TIMS sur des zircons de niveaux volcaniques intercalés) et de l'ichnostratigraphie (Treptichnus pedum) ont permis d'affiner cette date sans modifier l'ordre relatif antérieur des couches.
3. c) Réfuter l'affirmation d'un détracteur de la géologie : « Le fait que l'âge du Cambrien ait changé plusieurs fois prouve que les méthodes de datation manquent de rigueur et que l'échelle des temps géologiques n'est qu'une convention arbitraire ».

En mars 2024, l'Union internationale des sciences géologiques (UISG) a rejeté à une large majorité la proposition de formaliser l'« Anthropocène » comme une nouvelle époque de la période du Quaternaire avec un GSSP situé en 1952 (marqué par le pic de radioisotopes artificiels issus des essais thermonucléaires dans les sédiments du lac Crawford, au Canada).

1. a) Analyser les objections stratigraphiques de poids qui ont justifié cette décision : pourquoi limiter l'Anthropocène aux 70 dernières années ignore-t-il la profonde diachronie de l'empreinte humaine globale (débuts de l'agriculture néolithique, déforestation massive, révolution industrielle) et se heurte-t-il au principe stratigraphique d'isochronie applicable aux unités de rang d'époque ?
2. b) Comparer la préservation potentielle dans le registre lithologique futur (à l'échelle de dizaines de millions d'années) de l'impulsion radioactive de $^{239}\text{Pu}$ et des « technofossiles » (plastiques, béton) avec celle de marqueurs de limites géologiques classiques comme les couches d'iridium ou les extinctions biologiques globales.
3. c) Défendre l'idée que classer l'impact humain comme un « événement géologique complexe » (analogue à la Grande Oxydation ou aux crises d'anoxie océanique) est une solution méthodologiquement plus solide que de forcer sa définition comme époque formelle avec un clou d'or ponctuel.

Classer du plus ancien au plus récent ces jalons et exprimer leur âge en millions d'années : formation de la Terre, apparition de l'Homo sapiens, explosion cambrienne, extinction des dinosaures et origine de la vie.

Si l'on attribue $1$ an à chaque tranche de $100$ millions d'années, la Terre aurait $46$ ans. Calculer à quel « âge » de cette planète-personne apparaissent les dinosaures (il y a $230$ millions d'années) et l'Homo sapiens (il y a $0{,}3$ millions d'années), et commenter ce que cette analogie révèle.

Imaginer que l'histoire de la Terre ($4\,600$ Ma) est comprimée dans un calendrier d'une année civile qui s'achève à minuit le 31 décembre.

1. a) Calculer à quelles date et heure approximatives se situeraient trois jalons fondamentaux : la Grande Oxydation (~$2\,400$ Ma), l'apparition des premiers fossiles macroscopiques à coquille ou squelette lors de l'explosion cambrienne (~$541$ Ma) et l'origine du genre Homo (~$2,5$ Ma). Présenter les calculs de proportionnalité effectués.
2. b) Un documentaire de vulgarisation affirme : « L'histoire de la Terre est essentiellement l'histoire des animaux et des plantes terrestres, qui peuplent la planète depuis ses origines, jusqu'à l'arrivée de l'être humain ». À partir des résultats temporels obtenus à la question précédente, réfuter point par point cette affirmation et expliquer pourquoi l'échelle géologique invalide toute lecture anthropocentrique ou zoocentrique du temps terrestre.

Dans les débats de vulgarisation, on compare souvent la longévité des dinosaures non aviens (~$160$ Ma) avec celle de notre espèce (Homo sapiens, ~$0,3$ Ma) pour évaluer le « succès évolutif ».

1. a) Identifier et démonter l'erreur conceptuelle et taxonomique qui consiste à comparer la durée d'un clade entier de rang supérieur (Dinosauria, avec des centaines de genres et de lignées successives) avec la longévité d'une seule espèce biologique. Comparer l'âge actuel d'Homo sapiens avec la longévité moyenne d'une espèce de mammifère dans le registre fossile cénozoïque (~$1$ à $2$ Ma) et apprécier si notre espèce a atteint ou non son espérance évolutive attendue.
2. b) Expliquer deux mécanismes macroévolutifs (plasticité adaptative, diversification trophique et redondance écologique) qui ont permis aux dinosaures de se rétablir et de se diversifier après l'extinction de masse du Trias-Jurassique, et les comparer à la vulnérabilité intrinsèque d'une biosphère actuelle ultra-homogénéisée qui dépend d'une seule espèce dominante.
3. c) Concevoir deux hypothèses évolutives argumentées sur le devenir stratigraphique de l'humanité dans les 5 prochains millions d'années : l'une envisageant la cladogenèse/spéciation et l'autre l'extinction biologique terminale sans descendance, en détaillant dans chaque cas les pressions de sélection et les conditions d'isolement qui la rendraient possible.

Défi du thème. Quelle histoire racontent les roches sous vos pieds ? Devenir vulgarisateur du Bureau de recherches géologiques et minières (BRGM) et reconstituer la mémoire géologique de votre environnement.

1. Recueil de données réelles : accéder au visualiseur cartographique Infoterre du BRGM. Localiser votre commune (ou le parc naturel le plus proche) et identifier deux formations rocheuses adjacentes, en notant leur lithologie et leur âge chronostratigraphique (ère, période ou époque).

2. Échelle temporelle et calcul : situer les deux formations sur l'échelle des temps géologiques. Calculer quelle fraction en pourcentage de l'histoire de la Terre ($4\,560\text{ Ma}$) représente la roche la plus ancienne ($t$ en $\text{Ma}$), en appliquant $\% = (t / 4\,560) \times 100$ avec un arrondi à au moins une décimale (par exemple, $12,5\,\%$).

3. Proposition argumentée : rédiger un court rapport dans lequel vous expliquerez quels principes stratigraphiques de datation relative (superposition, recoupement ou fossiles stratigraphiques) permettraient d'ordonner les événements géologiques locaux, et choisir une méthode de datation absolue radiométrique (comme $^{40}\text{K}/^{40}\text{Ar}$ ou $\text{U-Pb}$) en justifiant sa pertinence selon la lithologie et l'ancienneté estimée.

Seront évalués :

• La rigueur dans l'extraction et l'interprétation des données lithologiques et temporelles à partir du visualiseur du BRGM.

• L'exactitude et la précision mathématique dans la mise en contexte des âges sur l'échelle temporelle.

• La justification cohérente des méthodes de datation relative et absolue proposées selon le contexte géologique.