1La stratigraphie est l’étude de l’agencement géométrique des strates dans l’espace et dans le temps, elle établit des corrélations entre celles-ci et recherche leur âge relatif. Ce faisant, elle participe aux reconstitutions paléogéographiques et paléoenvironnementales. Elle constitue ainsi le fondement de ce qu’il est convenu d’appeler géologie historique avec toutes les ambiguïtés qui peuvent s’attacher à ce qualificatif.

2La stratigraphie utilise différents signaux ce qui permet de distinguer :

• Une lithostratigraphie qui débute par une analyse élémentaire, purement lithologique, permettant la définition d’unités lithostratigraphiques identifiables en 3D, base de toute synthèse régionale. Une analyse séquentielle conduit ensuite à reconnaître les séquences de faciès et leurs relations ainsi que les discontinuités. On aboutit à une stratigraphie génétique qui rend compte des variations de l’environnement sédimentaire. Dans les carottages, on utilise des diagraphies qui consistent en l’enregistrement en continu de diverses caractéristiques physiques des roches traversées en fonction de la profondeur.

3Quatre unités formelles sont définies en lithostratigraphie, ce sont en ordre ascendant : la couche, le membre, la formation, qui est l’unité de référence, et le groupe.

• Une chimiostratigraphie qui s’est développée tardivement, après 1970, et qui fut entravée à ses débuts par des méthodes inappropriées (analyses réalisées sur roches totales donnant des résultats peu interprétables), par une surévaluation des processus diagénétiques et par une conception uniformitarienne de la composition des eaux océaniques. Elle est aujourd’hui en plein essor avec une véritable stratigraphie isotopique, notamment pour les variations du rapport isotopique de l’oxygène qui renseignent sur les modifications climatiques et fournissent une bonne échelle pour le Quaternaire.

• Une magnétostratigraphie qui consiste en la mise en évidence de la succession des inversions de polarité du champ magnétique terrestre. On dispose désormais d’une échelle de polarité magnétique bien documentée de l’Actuel jusqu’au Jurassique supérieur ; pour les périodes plus anciennes, les fonds océaniques manquent. L’échelle est calibrée (calée dans le temps) par la biostratigraphie et la radiométrie.

• Une biostratigraphie (terme proposé en 1909 par le Belge Louis Dollo) qui utilise les fossiles, témoins de l’évolution biologique, comme indicateurs temporels : nous pouvons donc qualifier ceux-ci de biomarqueurs.

• Une géochronologie isotopique, dite parfois radiochronométrie, dont les datations basées sur les isotopes radioactifs sont précieuses, notamment pour le Précambrien dépourvu de fossiles, mais dont l’application aux matériels sédimentaires reste controversée.

4L’aboutissement de ces diverses contributions constitue la chronostratigraphie qui a pour objectif l’établissement d’une échelle chronostratigraphique mondiale de référence, succession continue sans lacunes ni chevauchements. Les unités chronostratigraphiques sont concrètes et tangibles (systèmes, séries, étages), les unités géochronologiques sont abstraites et expriment directement des tranches de temps (périodes, époques, âges).

5La démarche correspond ainsi à différentes phases d’approche : stratigraphie géométrique pour établir des corrélations locales et régionales sans prise en compte du temps ; stratigraphie événementielle qui peut conduire, à l’aide de divers repères (éruptions volcaniques, impacts météoritiques), à des corrélations temporelles très précises parce qu’il s’agit de phénomènes quasiment instantanés à l’échelle des temps géologiques ; stratigraphie chronologique établissant des datations relatives des terrains et des événements ainsi que des corrélations synchrones entre unités géologiques ; stratigraphie chronométrique qui fournit des datations numériques dites, souvent abusivement, datations absolues

1. Bref historique des biomarqueurs

6On sait combien l’interprétation exacte des fossiles en tant que vestiges d’organismes anciens a suscité de longues controverses et qu’il en fut de même pour que s’imposât la notion d’évolution biologique. Il est alors très remarquable de constater que l’idée d’utiliser des fossiles pour identifier des couches de terrains sédimentaires ait pu émerger dès le XVII^e siècle. C’est bien de cela qu’il s’agit lorsque Martin Lister, contemporain de Sténon, mais hostile à une origine organique pour les fossiles, remarque que ceux-ci diffèrent d’une strate à l’autre. On peut voir là un germe implicite de la notion de fossile stratigraphique... L’étonnant Robert Hooke, qui interprète correctement les fossiles, envisage, pour sa part, qu’il se pourrait que ces « médailles de la nature » puissent contribuer à bâtir une chronologie.

7Puis à la fin du XVIII^e siècle, Giraud-Soulavie propose (1780) de distinguer époques à espèces disparues, époques comportant des espèces actuelles et époque à espèces uniquement actuelles. Giovanni Arduino note (1782) que les fossiles changent de strate en strate. Jean-André Deluc constate (1790-1794), dans le Sud de l’Angleterre, que des variations des faunes accompagnent celles des couches (huîtres et ammonites dans argiles et calcaires puis oursins dans la craie) et il en conclut qu’il est « deux histoires collatérales, celles des couches et des êtres organisés ». William Smith, le « père de la stratigraphie » selon les Anglais, propose (1796) de caractériser chaque formation par ses propres fossiles.

8Notons qu’au cours de la même période, mais sans souci des fossiles, Abraham G. Werner introduisait (1788) le terme “formation” dans sa colonne géognosique universelle tandis qu’Antoine Laurent de Lavoisier corrélait (1789) latéralement des successions sédimentaires verticales dans le Bassin parisien.

9Démarches et concepts se précisent progressivement au XIX^e siècle, la notion de fossile caractéristique apparaissant avec Georges Cuvier et Alexandre Brongniart ; ce dernier critique (1821) la « détermination géognosique », notre lithostratigraphie, en relevant qu’actuellement des dépôts différents sont contemporains, et il lui préfère le contenu paléontologique pour les corrélations à distance. En 1822, William Conybeare définit le Carbonifère et Brongniart le Jurassique qui sont ainsi les premiers systèmes baptisés. En 1827, Alcide d’Orbigny décrit 27 étages. Tous ces auteurs sont des catastrophistes et c’est donc dans un tel cadre de « révolutions » successives que les fossiles deviennent des horloges, des dateurs.

10Albert Oppel qui, en 1858, distingue 33 zones d’ammonites dans le Jurassique, procède, comme d’Orbigny, du plus grand vers le plus petit, par un découpage de plus en plus fin des éléments de la colonne stratigraphique.

11D’importantes crises, indiquées par des réductions drastiques de la biodiversité paléontologique, ayant marqué l’évolution permettent à John Phillips, dès 1860, de diviser les temps fossilifères, le Phanérozoïque, en trois grandes ères qu’il nomme Paléozoïque, Mésozoïque et Cénozoïque (fig. 1).

12En 1862, Thomas Huxley, l’ami de Charles Darwin, introduit un débat sur l’homotaxie et les non synchronismes. Pour lui, la seule possibilité dont dispose la géologie est, certes, celle de l’ordre de succession des faunes, mais la similitude d’ordre entre deux aires différentes n’implique pas la contemporanéité car elle résulte de migrations. Etages et zones deviennent illusoires. Il peut ainsi conclure que des flores et faunes, dévoniennes en Grande-Bretagne, pourraient avoir été siluriennes en Amérique du Nord ou carbonifères en Afrique ! Le concept d’homotaxie, qui correspond à la prise en compte de l’ordonnancement d’événements, est, au contraire, réutilisé aujourd’hui de façon positive en considérant qu’une séquence constante des mêmes événements ne doit pas être dépourvue de signification temporelle.

13Quoi qu’il en soit, on voit que tout ne fut pas simple dans les démarches de nos prédécesseurs.

2. Les biomarqueurs

14Les fossiles que l’on peut utiliser en tant que marqueurs du temps sont couramment qualifiés de « fossiles stratigraphiques » ou de « taxons- indices ». Quelques qualités sont requises pour cela :

• courte répartition temporelle donc une évolution rapide.

• vaste répartition spatiale : les faunes marines pélagiques s’avèrent être ainsi les plus efficientes tandis que les formations continentales, toujours partielles et discontinues, présentent les difficultés majeures. Il a souvent été opposé aux fossiles stratigraphiques des « fossiles de faciès », inféodés à des environnements limités ce qui les rend impropres aux corrélations à distance ; de tels fossiles peuvent pourtant avoir quelquefois un réel intérêt stratigraphique régional comme cela est le cas des rudistes (curieux mollusques bivalves) pour les plates-formes carbonatées du Crétacé supérieur méditerranéen.

• abondance suffisante : microfossiles et nanofossiles se trouvent ainsi privilégiés, notamment dans les carottages, depuis les années 1950 avec le perfectionnement des instruments d’investigation (microscopie électronique à balayage).

15Des fossiles marqueurs appartiennent parfois à des groupes énigmatiques, notamment au Paléozoïque (acritarches, chitinozoaires, conodontes, tentaculites) ou peuvent être même de simples traces d’activité biologique (ichnofossiles).

16Il est intéressant de relever, à propos des fossiles, qu’il existe parfois une certaine barrière de pensée entre les biostratigraphes et les paléobiologistes qui se préoccupent d’évolution et de construction d’arbres phylogénétiques ; les cladistes, en particulier, jugent que la « précédence géologique » constitue un argument contestable dans l’élaboration des phylogénies. Il n’en demeure pas moins qu’elle constitue un élément fondamental de chronologie relative pour le biostratigraphe. Les deux préoccupations ne sont, en réalité, pas contradictoires mais largement indépendantes car leurs objectifs diffèrent. Les schémas classiques de répartition temporelle des taxons en témoignent car si, comme le dit P. Tassy (1991), la « mosaïque de courts segments sans parentés respectives » constitue un obstacle à la construction de l’arbre phylogénétique, de tels segments qui illustrent les répartitions verticales connues des taxons sont, en revanche, de précieux repères pour le biostratigraphe et représentent l’outil de référence pour la construction des tableaux de corrélations. Le paléobiologiste sera, par ailleurs, particulièrement intéressé par des formes rares mais à signification évolutive importante (faune de Burgess...) qui sont évidemment, en raison de leur rareté, dépourvus d’intérêt biostratigraphique. Les deux démarches ne sont donc pas incompatibles et des paléontologues s’adonnent avec succès à l’une et à l’autre.

3. À l’épreuve de la pratique

17L’analyse biostratigraphique connaît de nombreuses difficultés. Certaines sont liées à la fossilisation qui constitue une « exception conjoncturelle » comme peut le dire C. Denys (2002). La conservation est très souvent partielle pour les macrofossiles et elle nécessite parfois des interprétations (moules internes et externes très dissemblables par exemple). Des remaniements trompeurs ont pu intervenir : acritarches de l’Ordovicien inférieur dans la coupe type du Caradoc (Ordovicien supérieur) au Pays de Galles ou foraminifères planctoniques du Crétacé supérieur transportés sur 2 000 km par le Mississippi et déposés dans le Quaternaire littoral de la Louisiane.

18Les taux et durées de sédimentation sont des paramètres qui ont été autrefois trop souvent négligés. Or, beaucoup des anciennes échelles standards ont été établies sur des cycles sédimentaires avec des dépôts peu profonds, très incomplets (dépôts de tempêtes par exemple) ; il en résulte des lacunes de sédimentation c’est-à-dire du temps non matérialisé et de durée inconnue. Ce sont les séries dites dilatées, régulières, correspondant à des dépôts généralement profonds, qui sont les plus propices à l’obtention des meilleures données.

19D’autres difficultés sont liées à la détermination des fossiles à cause d’éventuelles convergences morphologiques ou d’itérations évolutives selon lesquelles des taxons retrouvent une morphologie identique à celles de formes ancestrales de leur groupe. Mais c’est surtout la diversité des conceptions taxinomiques et celle concernant les processus évolutifs (modèle gradualiste avec transients et chronoespèces ou modèle ponctualiste des équilibres intermittents) qui varient avec les auteurs et peuvent aboutir à des déterminations différentes d’un même matériel. S’il y a rapidité de transition entre espèces distinguables dans les processus évolutifs, la confiance dans la corrélation biostratigraphique en est accrue. Mais il faut convenir qu’il y a eu parfois précipitation de certains auteurs dans la description de « nouveautés » aboutissant à la production d’une multitude d’« espèces » sans réalité biologique et aussi des raisonnements circulaires chez certains autres qui ne se sont pas résolus à voir une espèce franchir une limite stratigraphique, pourtant conventionnelle par définition ! Il subsiste donc une part indéniable de subjectivité dans les déterminations spécifiques ce qui peut fragiliser certaines propositions de corrélations.

20L’environnement enfin apporte parfois des restrictions, ainsi la première apparition connue d’une espèce (FAD ou First Appearance Datum) comme sa dernière occurrence repérée (LAD ou Last Appearance Datum) peuvent se trouver associées à des lithofaciès et différer ainsi suivant les localités. Diverses pressions sélectives locales, pas toujours repérables par ces lithofaciès, sont, en outre, susceptibles d’avoir exercé leur action sur la répartition spatiale des espèces. Ces événements dateurs que constituent apparitions et disparitions des taxons, souvent utilisés en micropaléontologie depuis 1963, peuvent aussi se trouver désynchronisés par des phénomènes de migrations. S’il semble que la dispersion de beaucoup des espèces en milieu océanique soit communément assez rapide pour ne pas altérer profondément les essais de corrélations temporelles, il n’en est pas de même pour de nombreuses espèces de vertébrés continentaux avec lesquelles l’application de cette méthode a connu de nombreux déboires.

21Là encore, on le voit, le nombre et les interactions complexes des paramètres en cause dans la répartition temporo-spatiale des biomarqueurs nécessitent toujours un examen critique des données.

4. Résultats : les unités biostratigraphiques

22En biostratigraphie classique, on procède à l’établissement d’une hiérarchie des unités parmi lesquelles l’étage est considéré comme l’unité fondamentale mais où la biozone constitue, en réalité, l’unité de base. La notion de zone, réapparue, après une éclipse, au Congrès de Paris en 1901, et définie alors comme « un ensemble de couches caractérisées par un ou plusieurs fossiles index » correspond à la biozone qui est une entité concrète, matérialisée par une couche (ou un ensemble de couches) et distinguée des couches voisines par son contenu biologique.

23Des difficultés surgissent qui résultent de la qualité de l’échantillonnage, de la discontinuité de l’enregistrement sédimentaire et biologique, du diachronisme dans les observations. En outre, plusieurs catégories de biozones sont utilisées avec des acceptions parfois variables, ce qui ne facilite pas toujours la compréhension :

1. biozone d’association ou d’assemblage qui est définie par la coexistence d’au moins trois taxons (on parle parfois de faunizone ou de florizone), elle est dite aussi quelquefois zone d’Oppel car c’est avec une conception de ce type que ce géologue travailla au XIX^e siècle ;

2. biozone d’extension ou de distribution qui correspond à la distribution stratigraphique d’un taxon ; elle est souvent d’un grand intérêt régional mais ses limites peuvent être modifiées du fait de découvertes nouvelles ou de simples révisions taxinomiques ;

3. biozone de coexistence ou de concomitance dont la limite inférieure est définie par l’apparition d’un taxon, la limite supérieure par la disparition d’un autre taxon ;

4. biozone d’apogée ou d’abondance qui correspond à l’épanouissement d’un taxon, ce qui peut relever de l’appréciation subjective de l’observateur et qui est liée aux conditions locales ;

5. biozone d’intervalle, portion de la colonne stratigraphique sans critère biologique propre mais délimitée par deux événements biologiques tels disparition à la base et apparition au sommet de taxons.

24La biozone peut être divisée en sous-zones, en biohorizons. Les résultats des biozonations sont finalement exprimés dans des tableaux de corrélations.

25Diverses tentatives de stratigraphie quantitative ont été présentées. L’une des plus intéressantes, dite de biostratigraphie logicienne ou déterministe, a été développée par le Suisse Jean Guex à partir de 1977. Le géologue se propose d’établir une échelle biochronologique discrète dont l’unité de base est l’association unitaire (A.U.) que caractérise un assemblage de taxons mutuellement compatibles ou exclusifs. Il repère les intervalles de coexistence des fossiles d’un groupe donné, construit un protoréférentiel qui donne une représentation exacte des coexistences et des superpositions, et établit une matrice de reproductibilité. Il définit finalement des biochronozones qui correspondent aux subdivisions reproductibles. Cette méthode quantitative, qui nécessite des faunes abondantes, est efficace, en particulier, avec les microfossiles mais elle connaît évidemment les mêmes difficultés taxinomiques de déterminations que la méthode conventionnelle.

26La méthode de grade-datation, élaborée en 1983 par le Français Yves Gourinard, conjugue l’usage de datations isotopiques et d’indices biométriques d’une lignée afin d’extrapoler des âges numériques pour les niveaux qui livrent des représentants de la lignée considérée. Elle fut inaugurée avec des microfossiles (globigérines du Miocène). Cette méthode a connu peu de succès car elle postule une évolution anagénétique, c’est-à-dire parfaitement graduelle, de la lignée pour que les indices biométriques utilisés aient une réelle signification temporelle, ce qui reste théorique et indémontrable.

27On peut, enfin, utiliser diverses autres méthodes quantitatives (analyse de groupe, analyse factorielle des correspondances, etc.) pour objectiviser des regroupements d’espèces (zones d’association), une approche probabiliste pour circonscrire l’ordre de succession d’événements (zones d’extension), des approches statistiques pour corréler des associations. Ces méthodes, lourdes à manipuler, restent d’utilisation exceptionnelle car l’expérience montre qu’elles ne font, en général, que confirmer des résultats déjà obtenus par ailleurs.

5. Synthèse : les unités chronostratigraphiques

28On cherche à concrétiser les divisions des temps géologiques par leur contenu paléontologique et par leurs limites afin d’établir une échelle mondiale standard indispensable notamment pour des reconstitutions paléogéographiques cohérentes. Il est convenu de matérialiser les étages et les limites des diverses unités chronostratigraphiques (étages, systèmes, érathèmes) par des localités de référence. Ce choix de localités-types exposant un ensemble de strates-types (stratotype d’étage) ou la limite conventionnelle entre deux étages ou deux systèmes dans une succession (limitostratotype, fig. 2) fait l’objet de longues discussions, voire de tergiversations, au sein de commissions internationales ad hoc. Les décisions, desquelles n’est malencontreusement pas exclu tout chauvinisme, résultent de votes des membres officiels de ces commissions et elles restent parfois vivement contestées. De façon générale, on définit la base d’une telle unité par l’apparition dans une succession sédimentaire continue d’un taxon spécifique, c’est le « golden spike » (clou d’or) des auteurs anglo-saxons. Malgré le choix qui est fait d’une espèce pélagique à vaste répartition géographique, mais celle-là ne peut néanmoins être planétaire, les corrélations à distance, à partir de ces lieux-clés demeurent, le plus souvent, difficiles et fragiles. Il en résulte que l’utilisation généralisée d’une échelle standard reste un objectif assez utopique comme le montre bien l’emploi persistant d’échelles stratigraphiques diverses suivant les continents et les embarras rencontrés pour les corréler.

29Le limitostratotype siluro-dévonien a été, historiquement, le premier défini selon les conventions de la Commission internationale de Stratigraphie. Il a été choisi, en 1972, à Klonk en Bohême et correspond au banc 20, en surplomb au-dessus du marteau (A) avec l’apparition d’un graptolite, Monograptus uniformis. L’ancienne Tchécoslovaquie, on le voit (B), érigea un monument commémoratif ! (cl. I. Chlupac).

30Le stratotype pour la base du système ordovicien a été désigné, en 2000, à Green Point, à Terre-Neuve (C) ; elle coïncide avec l’apparition d’un conodonte, lapetognathus fluvigatus, dans le banc 23 de l’affleurement (cl. G.S. Nowlan).

6. Conclusion

31La stratigraphie, discipline fondamentalement événementielle, dispose aujourd’hui, nous l’avons vu en introduction, d’une panoplie de méthodes dont les applications conjointes introduisent à une stratigraphie dite intégrée ou globale. Historiquement pourtant, les premiers « diviseurs des temps géologiques » ont été des paléontologues, dont d’Orbigny reste un prototype, et aujourd’hui, malgré les progrès des autres approches, c’est celle relevant de la paléontologie qui offre le meilleur pouvoir de résolution (on montre, par exemple, que la durée moyenne des sous-zones d’ammonites dans le Toarcien ou le Callovien, est inférieure à 200 000 ans). Les autres méthodes de chimio- ou de magnétostratigraphie nécessitent d’être calibrées et restent ainsi tributaires des apports de la biostratigraphie.

32Les succès de la micropaléontologie et de la nanopaléontologie et de leurs applications ont été indéniables (prospections pétrolières, datations en océanologie, relations avec le paléomagnétisme et la tectonique des plaques) dans la seconde moitié du XX^e siècle.

33La démarche du biostratigraphe est essentiellement inductive dans l’acception baconienne ou laplacéenne de l’induction. L’inférence inductive joue ici un rôle important dans la construction d’une continuité (l’échelle biostratigraphique) à partir de successions discontinues de données, d’événements. Mais ces inférences inductives acquièrent progressivement une justification par une série d’autocorrections.

34La poursuite des investigations biostratigraphiques est donc indispensable pour affiner l’échelle standard et les corrélations. Cela paraît incompris de certains spécialistes des sciences de la Terre dont des jugements lapidaires, réductionnistes et simplistes peuvent étonner, car s’il est vrai que les biostratigraphes sont parfois aisément caricaturés dans leurs démarches (fig. 3), on peut soupçonner surtout dans ces propos le désir d’évacuer la paléontologie vers le seul champ biologique où elle ne fait pourtant pas non plus l’objet d’une particulière considération. La qualité de biomarqueurs que revêtent certains fossiles montre qu’il convient de distinguer une paléontologie stratigraphique d’une paléontologie évolutive, deux activités qui ne sont d’ailleurs pas antagonistes nous l’avons souligné, mais qui démontrent explicitement que la paléontologie relève à la fois des sciences de la Terre et de celles de la Vie.

35Cette position d’interface, inconfortable, lui est certainement préjudiciable et explique, sans doute, l’ignorance dans laquelle elle est tenue, exception faite des propos médiatisés consacrés aux dinosaures et aux hommes fossiles. La recherche en paléontologie stratigraphique, qui nécessite la formation de spécialistes extrêmement « pointus » dans des groupes d’organismes peu spectaculaires mais ayant une réelle efficacité de marqueurs, se trouve actuellement menacée dans de nombreux pays. Il est vrai que la fin du XIX^e et une partie du XX^e siècles ont connu, lors du développement de la géologie, une certaine hégémonie de cette paléontologie stratigraphique qui se trouvait être la seule discipline capable de fournir un cadre temporel pour la reconstitution de l’histoire de la Terre. Il est possible que, localement au moins, un certain impérialisme s’ensuivit – n’a-t-on pas pu parler, un peu sottement certes mais cela est révélateur, de la « dictature des fossiles » ? – entravant parfois l’émergence d’autres activités plus récentes des sciences de la Terre. Pourtant après être tombé ainsi d’un excès dans son inverse, on voit désormais régner une certaine inquiétude chez nombre de géologues qui souhaitent pouvoir soumettre leur matériel, à des fins de datations, à des biostratigraphes ; mais ces derniers, hélas, représentent désormais une espèce en voie d’extinction et ils risquent de devenir eux-mêmes les biomarqueurs d’une période révolue des sciences géologiques.