Mots clés : stratification, arête de poisson, tidalite, marée, mois lunaire, Cap Gris-Nez

Stratifications en arêtes de poisson dans des tidalites du groupe de Moodies, vallée du Sheba Creek, région de Barberton (Afrique du Sud)

Pierre Thomas

Laboratoire de Sciences de la Terre / ENS Lyon

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

16/02/2009

Résumé

Marées et tidalites : stratifications en arêtes de poisson d'Afrique du Sud et du cap Gris-Nez.


Figure 1. Stratifications en arêtes de poisson dans des grès du groupe de Moodies (3,22 Ga), vallée du Sheba Creek, région de Barberton (Afrique du Sud)

Il s'agit de stratifications progradantes obliques, alternativement dans un sens et dans un autre, donnant une allure d'arêtes de poisson à chaque doublet de couches.

Photographie : Pierre Thomas


Les semaines précédentes, nous avons vu des ensembles de stratifications obliques progradant dans un seul sens : progradation actuelle (cap Gris-Nez), progradation éocène (Minerve - La Caunette) ou progradation tardi-archéenne (Blyde River). Les images de cette semaine montrent des superpositions de niveaux de quelques centimètres d'épaisseur progradant alternativement dans deux sens opposés.

Figure 2. Stratifications en arêtes de poisson dans des grès du groupe de Moodies (3,22 Ga), vallée du Sheba Creek, région de Barberton (Afrique du Sud)

Gros plan sur les strates supérieures de l'image 1, visualisant très bien cette stratification en arêtes de poisson.

Photographie : Pierre Thomas


Figure 3. Stratifications en arêtes de poisson dans des grès du groupe de Moodies (3,22 Ga), vallée du Sheba Creek, région de Barberton (Afrique du Sud)

Vue d'ensemble du blocs de grès des images 1 et 2

L'échelle est donnée par Jean-François Moyen, auteur et guide d'une excursion géologique en Afrique du Sud. Des renseignements sur cet affleurement (et bien d'autres) peuvent être trouvé sur le site de J .F. Moyen, rubrique livrets-guide de géologie (p. 148 dans le livret-guide "géologie régionale" version longue).

Photographie : Pierre Thomas


La seule explication possible, c'est l'alternance de courants se dirigeant tantôt dans un sens, tantôt dans l'autre (image 4).

Quelle peut être l'origine de cette alternance relativement régulière du sens des courants ? On peut proposer deux hypothèses, illustrée chacune par une image (les images 6 et 7). Ces deux hypothèses font de ces dépôts des tidalites, c'est-à-dire des dépôts de marée. Sur une côte plate et sableuse, genre Baie du Mont Saint Michel, baie de Somme (image 5) et autres plages diverses, les tempêtes créent de nombreux trous d'eau et autres dépressions plus ou moins vastes, dépressions qui vont se faire remplir progressivement par le sable et la vase apportés par les courants de marée. Si le remplissage du petit trou d'eau de la plage du Cap Gris-Nez est « par miracle » conservé, il formera une couche de « tidalite quaternaire ».

Figure 4. Schéma interprétatif du bloc de grès à stratifications en arêtes de poisson, vallée du Sheba Creek, région de Barberton (Afrique du Sud)

La moitié supérieure de ce bloc de grès est constitué de 5 ensembles progradants superposés, les ensembles 1, 3 et 5 ayant été déposés par des courants se dirigeant de gauche à droite, et les ensembles 2 et 4 ayant été déposés par des courants se dirigeant de droite à gauche.

Photographie : Pierre Thomas


Figure 5. Vue Google Earth de la baie de Somme à marée basse

La géométrie des différents chenaux, mini-bassins et autres dépressions varie après chaque tempête ou grande marée.

Source : Google Earth


Dans la première hypothèse (image 6), chaque ensemble progradant de 4-5 cm d'épaisseur correspond à des dépôts sédimentés pendant une demi-marée (montante ou descendante). Chaque strate de 4-5 cm d'épaisseur se serait donc déposée en environ 6h. Le remplissage du trou d'eau sur une plage du cap Gris-Nez correspondrait à l'un de ces niveaux progradants, déposé par mer descendante. La géométrie de la plage par contre ne permettrait pas le dépôt d'une couche correspondant à la marée montante.

Dans la deuxième hypothèse (image 7), c'est chaque lamine individuelle des ensembles progradants (d'environ 1 cm d'épaisseur) qui constituent le dépôt d'une demie-marée (montante ou descendante), celle qui a localement la puissance de transport la plus importante. Chaque ensemble progradant correspondrait donc aux dépôts successifs de dizaines de demie-marées. Mais dans des zones plates comme la baie du Mont Saint Michel, la baie de Somme, le bassin d'Arcachon... la topographie et la configuration de l'estran change à chaque tempête, à chaque grande marée d'équinoxe. Et après une tempête ou une grande marée, une dépression qui se faisait alimenter par un courant venu de la gauche se fera alimenter par un courant venu d'une autre direction. Et si chaque lamine d'1 cm d'épaisseur correspond au dépôt d'une marée, chaque ensemble progradant de 5 cm d'épaisseur correspond alors à l'intervalle de temps entre 2 tempêtes (ou 2 très grandes marées) suffisamment fortes pour changer la configuration de l'estran.

Figure 6. Schéma interprétatif du bloc de grès à stratifications en arêtes de poisson, vallée du Sheba Creek, région de Barberton (Afrique du Sud) : hypothèse 1

Schéma interprétatif de la partie supérieure de l'image 2 selon une première hypothèse : chaque ensemble progradant correspond à un dépôt de sable sédimenté pendant une demie-marée. Le niveau inférieur (ensemble progradant avec des lamines vertes) se serait déposé (par exemple) pendant la marée descendante, le courant de reflux allant de droite à gauche. Lors de la marée montante suivante, le sens du courant s'est inversé, et il se dépose un ensemble progradant dont les lamines élémentaires pendent dans l'autre sens (ensemble progradant avec des lamines rouges). Chaque ensemble progradant mesurant environ 5 cm d'épaisseur correspondrait donc environ à 6h de dépôt.

Photographie : Pierre Thomas


Figure 7. Schéma interprétatif du bloc de grès à stratifications en arêtes de poisson, vallée du Sheba Creek, région de Barberton (Afrique du Sud) : hypothèse 2

Schéma interprétatif de la partie supérieure de l'image 2 selon une deuxième hypothèse : chaque lamine élémentaire appartenant à l'un des ensembles progradants correspond au dépôt de sable déposé lors d'une demie-marée. Chaque ensemble progradant correspondrait donc aux dépôts successifs de dizaines de marées. Mais dans des zones plates comme la baie du Mont Saint Michel, la topographie et la configuration de l'estran changent à chaque tempête, à chaque marée d'équinoxe… Et après la tempête, un trou qui se faisait alimenter par un courant venu de la droite (configuration 1) se fera alimenter par un courant venu de la gauche (configuration 2). Et si chaque lamine d'1 cm d'épaisseur correspond au dépôt d'une marée, chaque ensemble progradant de 5 cm d'épaisseur correspondrait à l'intervalle de temps entre 2 tempêtes (ou 2 grandes marées) suffisamment fortes pour changer la configuration de l'estran.

Photographie : Pierre Thomas


Il n'est pas facile de trancher de façon formelle entre ces deux hypothèses. Deux arguments, cependant, font pencher pour la deuxième hypothèse, bien que la régularité de l'alternance de variations de sens du courant pose un problème.

  • Il n'y a pas entre 2 ensembles progradant dans 2 sens opposés de niveau de sédiments plus fins, genre silt. Or, entre flux et reflux (pendant lesquels se dépose du sable), il y a l'étal, où devrait se déposer des sédiments plus fins. Il semble même qu'un ensemble progradant repose sur l'ensemble sous-jacent par une surface d'érosion. Par contre, chaque lamine comprend à sa base un niveau centimétrique de grès, surmonté d'un niveau millimétrique plus sombre, silteux. Le grès se serait déposé par exemple pendant la marée montante, et aurait été nappé d'un fin dépôt silteux pendant l'étal et la marée descendante (qui aurait une puissance de transport plus faible selon notre hypothèse, ce qui est le cas le plus fréquent).
  • Dans le cas le plus général, les dépôts sédimentés pendant une marée individuelle ont une épaisseur qui varie : dépôts épais pendant les marées de vives eaux, et dépôts plus minces pendant les marées de mortes eaux. Aujourd'hui (au Quaternaire), il y a environ 15 jours entre deux marées de mortes eaux (1/2 mois lunaire), soit environ 29 marées montantes et descendantes. Dans un ensemble de couches (grès + silt) déposées chacune pendant une marée, on trouve une variation périodique d'épaisseur, et cette variation périodique d'épaisseur se fait (statistiquement) avec une fréquence de 29 doublets élémentaires (grès + silts) entre les doublets les plus minces de mortes eaux. On trouve une telle disposition en carottant les sédiments de la baie du Mont Saint Michel. Si on trouve une telle disposition dans des roches sédimentaires anciennes, on a là une très forte présomption qu'il s'agissent de tidalites et que chaque doublet "grès + silt" corresponde bien au dépôt d'une marée.

Figure 8. Disposition théorique de tidalites dans une carotte du Mont Saint Michel, dans le cas d'un dépôt horizontal non progradant

Chaque strate élémentaire correspond au dépôt d'une marée. Les dépôts de marées de mortes eaux correspondent à des strates minces, les dépôts de vives eaux correspondent à des strates épaisses : il y a variation progressive d'épaisseur entre ces 2 extrêmes. Il y a (statistiquement) 28 strates élémentaires entre 2 dépôts successifs de mortes eaux.

Dessin : Pierre Thomas


Des études menées par K.A. Eriksson et E. L. Simpson (Geology, 2000, 28, pp 831-834), ont trouvé un tel type de périodicité dans les lamines élémentaires des grès du groupe de Moodies.

Figure 9. Gros plan sur 3 ensembles progradants du groupe de Moodies (Afrique du Sud)

L'ensemble progradant n° 1 montre des lamines élémentaires dont l'épaisseur varie de façon cyclique, et peut être interprété comme une série de dépôts de marée, l'épaisseur de chaque lamine étant fonction de l'ampleur de la marée (vives eaux = lamines épaisses ; mortes eaux = lamines minces).

Ce gros plan provient d'un ensemble basculé de 70° par la tectonique, et a été « remis à l'horizontal » pour la démonstration.

Photographie : Pierre Thomas


Figure 10. Résumé schématique des observations et de l'interprétation de K.A Eriksson et E. L. Simpson

Dans chaque niveau progradant correspondant à une configuration de l'estran, l'épaisseur des lamines élémentaires varie (statistiquement) de façon régulière, suggérant ainsi que c'est chaque lamine élémentaire qui correspond à une marée, et non pas chaque doublet d'ensemble progradant.

Dessin : Pierre Thomas


Figure 11. Ensembles progradants du groupe de Moodies (Afrique du Sud) : couches basculées de 70° remises à l'horizontale sur l'image 9

Photographie : Pierre Thomas


Figure 12. Tidalites du groupe de Moodies (Afrique du Sud) : vue d'ensemble

Photographie : Pierre Thomas


K.A. Eriksson et E. L. Simpson ont même montré que dans le groupe de Moodies, agé de 3,22 Ga, statistiquement, la fréquence n'était pas de 28 marées par demi-mois lunaire, mais de seulement 20 marées par demi-mois lunaire. Cela indique qu'il y avait une vingtaine de jours par mois lunaire (contre 29 aujourd'hui). On a bien là la preuve que durée du jour et durée du mois lunaire (période de rotation de la Terre sur elle-même et période de révolution de la Lune autour de la Terre) varient au cours des temps géologiques (voir la conférence sur la Lune, de Pierre Thomas).

Si on suppose que le moment cinétique global du système Terre-Lune n'a pas varié depuis cette époque (le système Terre-Lune est un système isolé dans l'espace), on peut calculer (calculs effectués par David Chapot) la durée du jour et du mois lunaire de l'époque. Il y a 3,2 Ga, le jour durait une dizaine d'heures (contre 24 actuellement) ; le mois lunaire durait 20 jours de l'époque, soit environ 200 h (l'équivalent de 8 jours actuels). La Lune se trouvait à environ 160.000 km de la Terre (contre 384.000 actuellement).

Les images 13 et 14 montrent un troisième affleurement de stratifications en arêtes de poisson, affleurement voisin des deux premiers.

Figure 13. Stratifications en arêtes de poisson dans des grès du groupe de Moodies (3,22 Ga), Afrique du Sud

Photographie : Pierre Thomas


Figure 14. Stratifications en arêtes de poisson dans des grès du groupe de Moodies (3,22 Ga), Afrique du Sud

Photographie : Pierre Thomas


Il n'est pas nécessaire d'aller à 10.000 km de la France et de remonter dans le temps de 3,2 Ga pour voir des stratifications en arêtes de poissons et autres tidalites. Quand on sait que cela existe et qu'on les cherche, on en trouve assez souvent. En témoignent les images suivantes prises dans le Jurassique terminal (Tithonien inférieur, constitué des grès de la Crèche) au Cap Gris-Nez (Pas de Calais).

Figure 15. Stratifications en arêtes de poisson dans les grès de la Crèche, Tithonien inférieur, cap Gris-Nez (Pas de Calais)

Photographie : Pierre Thomas


Figure 16. Stratifications en arêtes de poisson dans les grès de la Crèche, Tithonien inférieur, cap Gris-Nez (Pas de Calais)

Photographie : Pierre Thomas


Figure 17. Les affleurements du Tithonien inférieur pris du sommet du Cap Gris-Nez (Pas de Calais)

Les images 15 et 16 ont été prises sur l'une des dalles situées au centre de cette photo.

Photographie : Pierre Thomas


Mots clés : stratification, arête de poisson, tidalite, marée, mois lunaire, Cap Gris-Nez