Mots clés : Gondwana, fossile, pétrification, pyroclastite

Faune et flore permiennes du bassin de Sydney (Australie) : des indices sur des paléoenvironnements de la marge gondwanienne

Maxime Henriquet

Agrégé SV-STU, ENS Lyon

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

19/10/2016

Résumé

Dans la région de Newcastle (Nouvelle-Galles du Sud, Australie), une faune du Permien moyen riche en Bryozoaires, Brachiopodes, Bivalves, Crinoïdes… Et une ancienne forêt de Glossopteris dévastée par une déferlante volcanique au Permien terminal.


Localisation des affleurements et contexte géologique

Les affleurements analysés dans cet article sont localisés dans le Bassin de Sydney, un vaste environnement de plus de 1500 km de long, s'étendant sur 64 000 km2 (dont 45% offshore ) avec une épaisseur maximale de 4500 m ( onshore ) à 6000 m ( offshore ). Nous nous trouvons en particulier dans la région de Newcastle, 115 km sur la côte au NNE de Sydney.

Le Bassin de Sydney est principalement constitué de sédiments permo-triasiques déposés sur la marge gondwanienne suite à la formation d'un demi-graben au début du Permien. L'accumulation s'est ensuite poursuivie avec des épisodes de compression qui alimentaient l'environnement de dépôt devenu bassin d'avant pays. L'Est du bassin a enfin subi à la fin du Crétacé une extension associée à la rupture entre l'Australie-Antarctique et la Nouvelle Zélande, donnant naissance à la mer de Tasman. Ce bassin permien est l'un des bassins australiens les plus productifs en charbon qui, avec d'autres, permet à l'Australie d'être le quatrième producteur mondial de charbon (après la Chine, les États-Unis et l'Inde). Rappelons qu'au Permien l'Australie était située dans les hautes latitudes australes. Le climat mondial était assez semblable au climat actuel et que le climat australien de l'époque était donc assez voisin de celui de la Sibérie actuelle.

L'essentiel du Trias dans la région de Newcastle ayant été érodé, les unités permiennes affleurent largement. Le premier site visité se trouve à 25 km à l'Ouest de Newcastle, dans une ancienne petite carrière de la commune de Mulbring. Les sédiments qui s'y trouvent sont du Permien moyen et fournissent une macrofaune fossile très abondante et bien préservée. Il est possible d'y aller et d'échantillonner raisonnablement avec l'accord des propriétaires. Le second site étudié se trouve sur la côte, à 20 km au Sud de Newcastle, à l'embouchure du Lac Macquarie ( Swansea Heads ), ainsi que dans la réserve de Glenrock dans la partie Sud de la ville de Newcastle. Une visite idéale de ces affleurement nécessite d'y aller à marée basse, principalement lors des grandes marées dans le premier cas dont la partie la inférieure émerge rarement (et n'est pas montrée ici).

Figure 1. Localisation de Newcastle, au Sud de la côte Est de l'Australie

Localisation de Newcastle, au Sud de la côte Est de l'Australie

Figure 2. Localisation des sites de Mulbring, Swansea Heads et Glenrock, près de Newcastle (Australie)

Localisation des sites de Mulbring, Swansea Heads et Glenrock, près de Newcastle (Australie)

Figure 3. Localisation des sites de Mulbring, Swansea Heads et Glenrock, près de Newcastle (Australie)

Localisation des sites de Mulbring, Swansea Heads et Glenrock, près de Newcastle (Australie)

Figure 4. Vue de Mulbring et de sa carrière

Vue de Mulbring et de sa carrière

Figure 5. Vue de Swansea Heads

Vue de Swansea Heads

Figure 6. Vue de Glenrock

Vue de Glenrock



Au Permien moyen : une plateforme peu profonde en climat froid (carrière de Mulbring)

Caractéristiques sédimentologiques d'une plateforme peu profonde

La petite carrière de Mulbring est constituée de bancs centimétriques de siltstones (les silts ont une granulométrie intermédiaire entre argile et sable fin) et de grès. D'une épaisseur de 30 m à 60 m, ces sédiments sont inclus dans la partie supérieure de la Formation de Branxton, elle-même incluse dans le Groupe de Maitland (~ Permien moyen), puissant de 1200 m. L'abondance de fossiles dans la carrière de Mulbring, notamment de Bryozoaires de type Fenestella , a donné le nom de Fenestella Shale à ces dépôts.

La datation des sédiments du Permien moyen est délicate pour plusieurs raisons. D'une part la corrélation précise entre la biostratigraphie locale et celle acceptée internationalement est délicate du fait de l'absence de conodontes (utilisés pour délimiter les grandes subdivisions du Permien) et le manque de Fusulines. D'autre part, la faible activité volcanique de cette période permet peu les datations radiochronologiques. Toutefois de rares zircons trouvés dans un niveau d'ignimbrites de la Formation de Branxton à proximité de Mulbring indiquent un âge d'environ 272 Ma.

La préservation importante d'organismes relativement fragiles tels les Bryozoaires et les Crinoïdes est à relier à un environnement de dépôt calme, peu profond mais en majeure partie sous le niveau d'action des vagues de tempêtes. En revanche l'orientation aléatoire des fragments et la présence d'individus non entièrement conservés témoignent plutôt d'une accumulation post-mortem d'organismes après un court transport dont atteste également la forte angularité des grains dans les bancs les plus grossiers. Les caractéristiques sédimentologiques indiquent ainsi un dépôt post-mortem , sous la zone d'action des vagues sur une plateforme marine peu profonde.

Des études géochimiques de la composition isotopique de l'oxygène de brachiopodes montrent que ces organismes vivaient dans des eaux froides, entre 1 et 4°C en moyenne. L'environnement de dépôt au Permien était aux hautes latitudes (hémisphère Sud), et d'importants épisodes glaciaires eurent lieu durant cette période. La formation Fenestella Shale serait associée à un épisode transgressif durant l'un des évènements glaciaires, peut-être lié à une dépression isostatique causée par la présence d'une grande calotte. En effet la présence d'une calotte importante aurait pu induire une flexuration de la lithosphère avec des zones surélevées et d'autres déprimées (cf. Les plages soulevées de Scandinavie et du Canada, conséquences du rebond post-glaciaire  ). L'élasticité de la lithosphère contrôle la longueur d'onde de la flexure, l'amplitude des reliefs isostatiques et la distance sur laquelle s'atténue les effets de la calotte. Une dépression locale aurait pu ainsi s'accompagner d'une transgression.

Figure 9. L'ancienne carrière de Mulbring, bassin de Sydney, Australie

L'ancienne carrière de Mulbring, bassin de Sydney, Australie

Figure 10. Accumulation aléatoire de fossiles dans les grès fins de Mulbring, Australie

Accumulation aléatoire de fossiles dans les grès fins de Mulbring, Australie

a/ Polypora , Fenestella (Bryozoaires) b/ Echinalosia (Brachiopode) c/ Notospirifer (Brachiopode) d/ Crinoïde e/ Myonia (Bivalve)


Une macrofaune riche et bien préservée

De nombreux fossiles presque entiers permettent de dresser un inventaire non exhaustif de la grande diversité d'invertébrés affleurant dans la formation Fenestella Shale à Mulbring. Comme nous l'avons mentionné précédemment, le nom de cette formation provient de l'abondance de Bryozoaires du genre Fenestella . D'autres Bryozoaires peuplaient également les lieux, notamment des Polypora sp. et des Stenopora sp . On y trouve fréquemment des Brachiopodes, comme Notospirifer sp. , Echinalosia davidi et Trigonotreta sp. . Il est possible d'observer des Mollusques de la classe des Bivalves, tel Myonia sp. , de la classe des Rostroconches, tel Conocardium sp. , voire quelques petits Gastéropodes. Enfin il n'est pas rare de découvrir quelques fragments de Crinoïdes (Échinodermes) et les plus chanceux y trouveront même des Trilobites (Arthropodes).

Les Bryozoaires ou Ectoproctes

Les Bryozoaires, littéralement des « animaux mousses », sont (sans redonner toutes les "étapes") des Métazoaires, Protostomiens, Lophophorates. Comme les Braciopodes et les Phoronidiens, ils possèdent une couronne de tentacules ciliés autour de la bouche, le lophophore.

Aussi appelés Ectoproctes, ce sont des animaux coloniaux dont les loges peuvent être carbonatées et participer à l'édification des massifs coralliens (les Bryozoaires sont parfois confondus avec des coraux). Quelques espèces d'eaux douces sont l'exception.

Les Bryozoaires sont apparus au Dévoniens et sont bien connus des plongeurs.

Sertella septentrionalis , ou Dentelle de Vénus, photo prise en Croatie. L'aspect plus ou moins hexagonal de cette "dentelle" explique le rapprochement fait avec les coraux.

Figure 11. Bryozoaires ( Fenestella sp. et peut-être Polypora sp. ), carrière de Mulbring (Australie)

Bryozoaires (Fenestella sp. et peut-être Polypora sp.), carrière de Mulbring (Australie)

Accumulation de Bryozoaires du genre Fenestella en grande majorité et peut-être un du genre Polypora sur la bordure gauche au milieu.


Figure 12. Bryozoaires ( Fenestella sp. ) et Brachiopode ( Echinalosia davidi ), carrière de Mulbring (Australie)

Bryozoaires (Fenestella sp.) et Brachiopode (Echinalosia davidi), carrière de Mulbring (Australie)

Accumulation de Bryozoaires du genre Fenestella en grande majorité et un Brachiopode, Echinalosia davidi , au centre.


Figure 13. Bryozoaires ( Fenestella sp. ), carrière de Mulbring (Australie)

Bryozoaires (Fenestella sp.), carrière de Mulbring (Australie)


Figure 15. Bryozoaires ( Fenestella sp. ), carrière de Mulbring (Australie)

Bryozoaires (Fenestella sp.), carrière de Mulbring (Australie)


Figure 17. Gros plan sur un Bryozoaire ( Polypora sp  ?), carrière de Mulbring (Australie)

Gros plan sur un Bryozoaire (Polypora sp ?), carrière de Mulbring (Australie)

Gros plan sur un Bryozoaire, Polypora sp . ?


Figure 18. Bryozoaires, Brachiopodes, morceaux de Crinoïdes et petits Bivalves, carrière de Mulbring (Australie)

Bryozoaires, Brachiopodes, morceaux de Crinoïdes et petits Bivalves, carrière de Mulbring (Australie)

Bryozoaires : Fenestella sp. , Brachiopodes : Notospirifer sp. .


Figure 19. Un Rostroconche (genre Conocardium  ?), carrière de Mulbring (Australie)

Un Rostroconche (genre Conocardium ?), carrière de Mulbring (Australie)

Sur la gauche, un Rostroconche peut-être du genre Conocardium .


Figure 20. Gros plan sur des fragments de Bryozoaires, carrière de Mulbring (Australie)

Gros plan sur des fragments de Bryozoaires, carrière de Mulbring (Australie)

Bryozoaires du genre Fenestella sp. .


Figure 21. Gros Bivalve non identifié, carrière de Mulbring (Australie)

Gros Bivalve non identifié, carrière de Mulbring (Australie)

Figure 22. Brachiopodes et fragments de Crinoïdes, carrière de Mulbring (Australie)

Brachiopodes et fragments de Crinoïdes, carrière de Mulbring (Australie)

Accumulation de Brachiopodes, Echinalosia davidi et surement Trigonotreta sp. , ainsi que des fragments de tige de Crinoïdes.


Au Permien supérieur : arc volcanique et environnements marécageux tempérés ou froids

Lithologie et marqueurs sédimentaires

Tout au long de la côte entre Newcastle et le Sud du Lac Macquarie affleure le Permien terminal, localement nommé le Newcastle Coal Measures . Comme son nom l'indique, cette formation est caractérisée par des bancs de charbon ( coal ) découverts à la fin du XVIIIème siècle. Cette ressource a ensuite grandement contribué à la richesse de Newcastle, premier port charbonnier du monde avec 155 millions de tonnes exportées en 2014. Ces strates pluricentimétriques de charbon s'intercalent dans des conglomérats, grès et siltites et sont généralement surmontées par des niveaux pyroclastiques (roches composées de l'accumulation d'éléments volcaniques de granulométrie variable, allant des clastes ou bombes décimétriques aux cendres fines). Cette présence de charbon dans une région froide montre que, contrairement à une idée classique répandue, il n'y a pas que les forêts intertropicales humides (comme celles du Carbonifère européen) qui peuvent donner du charbon. Des forêts comme la Taïga actuelle peuvent, elles aussi, aussi donner des gisements de charbon.

Au toit des bancs de charbon, il n'est pas rare de trouver des débris végétaux, principalement du genre Glossopteris , une Ptéridospermaphyte fréquente au Permo-Trias, caractéristique des forêts des régions froides aux hautes latitudes. Les Ptéridosermaphytes constituent un clade de végétaux ligneux aujourd'hui disparus, avec des feuilles ressemblant à la fronde des fougères actuelles mais dont la reproduction faisait intervenir des graines issues d'ovules nus, d'où leur place parmi les Gymnospermes comme expliqué dans l'article Feuilles de Ptéridospermales et de Bennettitales du Kimméridgien, Cerin (Ain) . Notons également que la répartition géographique de Glossopteris a conduit le géologue Eduard Suess à proposer une liaison passée entre l'Inde, l'Afrique, l'Amérique du Sud, l'Australie et l'Antarctique, arguments repris dans la théorie de la « dérive des continents » de Wegener (cf. La dérive des continents de Wegener ), et il introduisit ainsi le terme « Gondwana » (d'après une région indienne où Glossopteris abonde). La grande extension de cette formation et la présence de troncs de Glossopteris venant s'enraciner dans les couches de charbon témoigne d'un environnement marécageux où s'étendait une forêt régulièrement enfouie sous les cendres volcaniques.

Figure 23. Feuilles de Glossopteris , marqueur du Permien du Gondwana

Feuilles de Glossopteris, marqueur du Permien du Gondwana

On en retrouve dans les terrains permiens d'Amérique du Sud, d'Afrique, d'Inde, d'Australie, de Nouvelle Zélande et d'Antarctique, c'est un marqueur de ces terrains formant le Gondwana au Permien.

Collection du Houston Museum of Natural Science (Texas).


Les niveaux pyroclastiques et les strates de sédiments terrigènes soulignent des dépôts dans un environnement peu profond soumis à l'influence de la houle, comme le montre les mamelons de houle aussi appelés HCS ( Hummocky Cross Stratification ) de moyenne à grande longueur d'onde. Ces structures reflètent le mouvement oscillatoire de la houle et de la colonne d'eau sous-jacente jusqu'à quelques mètres de profondeur.

Figure 24. Mamelons de houle (HCS) à moyenne et grande longueur d'onde, Swansea Heads (Australie)

Mamelons de houle (HCS) à moyenne et grande longueur d'onde, Swansea Heads (Australie)

Au premier plan on distingue un mamelon de houle de grande longueur d'onde et à l'arrière-plan des HCS plus petits.


Figure 25. Zoom sur des petits mamelons de houle ( Hummocky Cross Stratification ), Swansea Heads (Australie)

Zoom sur des petits mamelons de houle (Hummocky Cross Stratification), Swansea Heads (Australie)

Zoom sur les HCS plus petits. On observe bien que la structure interne est relativement symétrique ce qui souligne bien le fait que ces dépôts sont affectés par l'oscillation de la colonne d'eau.


Figure 26. Mamelons de houle, Swansea Heads (Australie)

Mamelons de houle, Swansea Heads (Australie)

Au premier plan, des HCS vus de dessus et de profil et à l'arrière-plan, des HCS vus en coupe.


Figure 27. Base de tronc de Glossopteris dans les dépôts pyroclastiques, Swansea Heads (Australie)

Base de tronc de Glossopteris dans les dépôts pyroclastiques, Swansea Heads (Australie)

Le tronc est essentiellement sous forme de charbon, facilement érodé, d'où le surcreusement au cœur.


Figure 28. Une des couches de charbon sous les dépôts pyroclastiques, Glenrock (Australie)

Une des couches de charbon sous les dépôts pyroclastiques, Glenrock (Australie)

Figure 29. Base de tronc de Glossopteris , Glenrock (Australie)

Base de tronc de Glossopteris, Glenrock (Australie)

Base de tronc de Glossopteris dans les dépôts pyroclastiques fins. Au-dessous se trouve un banc de charbon qui témoigne de l'enracinement passé de la forêt de Glossopteris dans des terrains marécageux.


Figure 30. Base de tronc de Glossopteris dans les dépôts pyroclastiques, Glenrock (Australie)

Base de tronc de Glossopteris dans les dépôts pyroclastiques, Glenrock (Australie)

Base de tronc de Glossopteris vertical montrant le cœur charbonneux et la bordure pétrifiée, moins sujette à l'érosion.


Histoire d'une forêt fossile

Pétrification et préservation

Les troncs et branches de Glossopteris sont parfois très bien conservés grâce à leur pétrification. L'enfouissement rapide des débris les a protégés de la dégradation efficace en milieu aérobie et l'organisation des tissus végétaux est quelquefois visible. La fossilisation se fait généralement par différents phénomènes que sont la perminéralisation, la recristallisation et le remplacement.

La perminéralisation correspond au remplissage de tissus poreux par des eaux riches en éléments minéraux. Ce processus permet dans de rares cas, lors d'un enfouissement rapide, la préservation de "tissus mous". Certaines structures de Glossopteris , notamment des pores, sont parfois remplies de calcédoine (fibres cristallines de quartz).

La recristallisation est en revanche due à la dissolution de tissus minéralisés suivie de la cristallisation d'une autre entité chimique conservant en général la structure initiale ; tandis que le remplacement s'opère lorsque les cristaux originaux sont transformés en d'autres minéraux. Par ces processus, les troncs de Glossopteris sont parfois silicifiés, comme ceux de l'article Troncs d'arbres silicifiés dans une coulée pyroclastique, Sipi Falls (Ouganda) , et le plus souvent riches en hydroxydes de fer (notamment la limonite, un amas d'hydroxydes de fer microcristallin). Les morceaux pétrifiés sont parfois dégagés par l'érosion et de nombreux échantillons peuvent être retrouvés dans les galets à marée basse.

Figure 31. Morceau de tronc de Glossopteris ramassé à Glenrock (Australie)

Morceau de tronc de Glossopteris ramassé à Glenrock (Australie)

Morceau de Glossopteris dégagé par l'érosion et roulé par les marées. La pétrification a essentiellement remplacée le bois en hydroxydes de fer (limonite ?) tout en préservant sa structure. Nous pouvons remarquer la présence de structures concentriques analogues aux cernes des arbres actuels (Gymnospermes et Angiospermes). Ceci témoigne probablement d'une saisonnalité marquée conduisant à la formation de bois durant le printemps ou l'été.


Figure 32. Coupe transversale d'un morceau de tronc de Glossopteris coupé transversalement, Glenrock (Australie)

Coupe transversale d'un morceau de tronc de Glossopteris coupé transversalement, Glenrock (Australie)

La pétrification a essentiellement remplacée le bois en hydroxyde de fer (limonite ?) tout en préservant la structure. Certains pores sont remplis de calcédoine.


Figure 33. Coupe transversale d'un morceau de tronc de Glossopteris coupé transversalement, Glenrock (Australie)

Coupe transversale d'un morceau de tronc de Glossopteris coupé transversalement, Glenrock (Australie)

La pétrification a essentiellement remplacée le bois en hydroxyde de fer (limonite ?) tout en préservant la structure. Certains pores sont remplis de calcédoine.


Figure 34. Détail de coupe transversale d'un morceau de tronc de Glossopteris coupé transversalement, Glenrock (Australie)

Détail de coupe transversale d'un morceau de tronc de Glossopteris coupé transversalement, Glenrock (Australie)

La pétrification a essentiellement remplacée le bois en hydroxyde de fer (limonite ?) tout en préservant la structure. Certains pores sont remplis de calcédoine dont on peut observer la croissance des cristaux des bordures vers le centre, laissant apparaître un liseré concentrique.


Figure 35. Détail d'un morceau de Glossopteris coupé transversalement, Glenrock (Australie)

Détail d'un morceau de Glossopteris coupé transversalement, Glenrock (Australie)

La pétrification a essentiellement remplacée le bois en hydroxyde de fer (limonite ?) tout en préservant la structure. Certains pores sont remplis de calcédoine dont on peut observer la croissance des cristaux des bordures vers le centre, laissant apparaître un liseré concentrique.


Figure 36. Détail pores de Glossopteris plus ou moins remplis de calcédoines

Détail pores de Glossopteris plus ou moins remplis de calcédoines

Certains pores sont totalement remplis de calcédoine dont on peut observer la croissance des cristaux des bordures vers le centre. On observe des lisérés concentriques (de 2 à 4) de teintes variables (blanc plus ou moins opaque), qui, teintées, donneraient l'équivalent mais ici en pluspetit de ce qui est utilisé pour Les vitraux d'agate et de tourmaline de la cathédrale de Zurich (Suisse) . Parfois le centre n'est pas rempli. Dans un pore (au centre gauche) on observe ce qui semble être une "goutte" de calcédoine cristallisée dans le pore rappelant les figures déjà observées dans des Helix ramondis fossilisés ou dans des Pépérites de Limagne à escargots, limnées et planorbes remplis de lussatite .


Une forêt rasée par une déferlante volcanique

L'une des couches de charbon les plus basales dans la série du Newcastle Coal Measures dévoile en sont sommet la trace d'une violente éruption volcanique. En effet, sur l'affleurement de Swansea Heads , la plupart des troncs surmontant la couche charbonneuse sont orientés Est-Ouest. En moyennant les orientations mesurées on constate que les troncs ont un azimut d'environ 80°. Bien que certains troncs soient encore enracinés (et sont les témoins de la paléoforêt), les troncs sont majoritairement subhorizontaux, au sein même des dépôts pyroclastiques. La paléogéographie et des études géochimiques sur les pyroclastites semblent indiquer qu'une déferlante provenant d'un volcan situé à une vingtaine de kilomètres plus à l'Est aurait rasé la forêt de Glossopteris . Ce dynamisme éruptif est équivalent à celui du célèbre Mont Saint Helens et est expliqué dans un article relatif au dôme du Paluweh (Indonésie) (cf. Le dôme de lave du Paluweh (ou Rerombola, Indonésie) : mise en place, effondrements, nuées ardentes et autres courants de densité pyroclastiques ). Des exemples français de ce type de dépôts sont visibles dans la carrière du Puy de Lemptégy (cf. Les dépôts pyroclastiques du Puy Chopine visibles dans la carrière du Puy de Lemptégy ). Des études pétrologiques soulignent un volcanisme d'arc continental de la série calco-alcaline (dépôts de rhyodacites) avec la subduction de la Phanthalassa sous le Gondwana.

Figure 37. Troncs de Glossoptéris en place, Swansea Heads (Australie)

Troncs de Glossoptéris en place, Swansea Heads (Australie)

Troncs en place, non couchés par la déferlante volcanique.




Figure 40. Troncs de Glossoptéris couchés par la déferlante volcanique approximativement orienté Est-Ouest, Swansea Heads (Australie)

Troncs de Glossoptéris couchés par la déferlante volcanique approximativement orienté Est-Ouest, Swansea Heads (Australie)

Au second plan affleure l'une des couches basales de charbon où était auparavant enracinée la forêt.






Références

Phil Gilmore, 2014. Geology of the ower Hunter Valley, New South Wales , Geological Survey of New South Wales, NSW Trade & Investment, 6p.

I.G. Percival, N.S. Meakin, L. Sherwin, T.A. Vanderlaan, P.A. Flitcroft, 2012. Permian fossils and palaeoenvironments of the northern Sydney Basin, New South Wales , Quarterly Notes - Geological Survey of New South Wales, 138

C. Morton, R. Evans, 2010. Swansea Heads Petrified Forest , Geo-Log, Journal of the Amateur Geological Society of the Hunter Valley, 9-11

M. Organ, J. Byrnes, 2009. Fossil Pine Forest, Lake Macquarie , page visitée le 14/10/2016

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Glossopteris , www.evolution-biologique.org, page visitée le 14/10/2016

Mots clés : Gondwana, fossile, pétrification, pyroclastite