Cours de Géologie Historique : Le Cambrien

Cadre Chronostratigraphique et Contexte Géologique

• Définition et Hiérarchie :

  • Le Cambrien représente la première période de l'ère Paléozoïque (anciennement appelée ère Primaire).
  • Il appartient à l'éon Phanérozoïque.
  • La chronologie de l'ère Paléozoïque suit l'ordre ascendant : Cambrien, Ordovicien, Silurien, Dévonien, Carbonifère (divisé en Mississippien et Pennsylvanien aux USA) et Permien.

• Origine de la Nomenclature :

  • Le terme « Cambrien » dérive de Cambria, qui est le nom latin du Pays de Galles.
  • L'identification et la définition des systèmes géologiques ont été réalisées par plusieurs scientifiques majeurs :
    • Adam Sedgwick et Roderick Murchison : Reconnaissance globale du Cambrien vers $1835$.
    • Charles Lapworth ($1902$) : A résolu les conflits de définition entre le Cambrien et le Silurien en introduisant l'Ordovicien.
    • Charles Lyell ($1833$) : Travaux sur le Néogène et le Paléogène (Pliocène, Miocène, Éocène).
    • Omalius d'Halloy ($1822$) : Crétacé.
    • Alexander von Humboldt ($1795$) : Jurassique.
    • F. Von Alberti ($1834$) : Trias.

Subdivisions du Système Cambrien et Biostratigraphie

• Échelle Chronostratigraphique (GSSP et FAD) :

  • Terreneuvien (Série 1) :
    • Fortunien : Base marquée par le GSSP de l'ichnofossile Trichophycus pedum (anciennement Phycodes pedum).
    • Étage 2 : Apparition de Watsonella crosbyi ou Aldanella attleborensis.
  • Série 2 :
    • Étage 3 : Apparition des trilobites.
    • Étage 4 : Apparition de Olenellus, Redlichia, Judomia ou Bergeroniellus.
  • Série 3 (Miaolingien) :
    • Étage 5 (Wuliuen) : Oryctocephalus indicus ou Ovatoryctocara granulata.
    • Drumien : FAD (First Appearance Datum) de Ptychagnostus atavus.
    • Guzhangien : FAD de Lejopyge laevigata.
  • Furongien (Série 4) :
    • Paibien : FAD de Glyptagnostus reticulatus.
    • Jiangshanien : FAD de Agnostotes orientalis.
    • Étage 10 : FAD de Lotagnostus americanus.
  • Limite supérieure : La base de l'Ordovicien (Trémadocien) est définie par le FAD de Iapetognathus fluctivagus.

• Ichnofossiles :

  • Les traces fossiles sont essentielles pour dater le Cambrien inférieur, par exemple Treptichnus pedum trouvé dans les grès de Mickwitzia en Suède.

• Les Conodontes :

  • Animaux primitifs rattachés aux chordés.
  • Connus sous forme de structures denticulées millimétriques.
  • Extension temporelle : Cambrien (?) au Trias.

Évolution de la Géosphère et Climat

• Conditions Climatiques :

  • Le climat était relativement chaud.
  • La température moyenne du globe est estimée à environ $20^{\circ}C$.
  • Absence totale de calottes glaciaires durant cette période.
  • Le réchauffement global a favorisé l'expansion des premiers récifs.

• Géodynamique et Paléogéographie :

  • Démantèlement de Rodinia : Le supercontinent Rodinia, axé sur le Pôle Sud à la fin du Précambrien (~$600\,\text{Ma}$), continue de se disloquer.
  • Individualisation continentale (~$560\,\text{Ma}$) : Détachement de la Laurentia (Amérique du Nord actuelle) et de la Sibéria.
  • Baltica : Détachement des terrains comprenant la Scandinavie, la Russie, la Pologne et le nord de l'Allemagne.
  • Océan Iapetus : Ouverture de cet espace océanique entre les blocs continentaux.
  • Configuration du Gondwana (~$540\,\text{Ma}$) : Englobe le Précambrien de l'Amérique du Sud, de l'Afrique (Craton Ouest Africain, Craton du Congo, Craton du Kalahari), de l'Australie, de l'Antarctique, de l'Inde et de la Chine.
  • Migration : À la fin du Cambrien (~$500\,\text{Ma}$), Laurentia, Baltica et Sibéria poursuivent leur dérive vers le nord.

L'Explosion Cambrienne et Transition Biologique

• Passage Protérozoïque-Cambrien :

  • A $600\,\text{Ma}$ : Faune d'Ediacara à faible diversité (diversité maximale entre $570$ et $550\,\text{Ma}$).
  • A $550\,\text{Ma}$ : Apparition des premiers squelettes minéralisés (squelettogénèse).
  • A $542\,\text{Ma}$ : La biominéralisation est fermement établie, probablement due au chimisme des eaux océaniques et à l'augmentation du taux d'oxygène.

• Rôle du Squelette :

  • Fournit une charpente pour maintenir la structure corporelle.
  • Protection accrue contre la prédation.
  • Amélioration de la motilité (déplacement plus rapide).
  • Permet la colonisation de nouvelles niches écologiques.

• Révolution du Substratum :

  • Style Édiacarien : Substratum ferme avec des tapis bactériens broutés par des organismes comme Kimberella.
  • Style Cambrien : Apparition de terriers profonds par des bilatériens, rendant le substratum plus meuble et oxygéné.

• Les Déclencheurs de l'Explosion :

  1. Causes environnementales : Hausse de l'oxygène, déglaciation (fin de la glaciation de Varanger) et réchauffement.
  2. Causes géodynamiques : Dislocation de Rodinia créant des mers peu profondes.
  3. Causes biologiques/génétiques : Innovations génétiques et pression de sélection par les prédateurs.
  4. Impact d'Acraman : Impact météoritique (Australie) ayant pu catalyser des changements évolutifs rapides.

Gisements Fossilifères (Lagerstätten)

• Faune Tommotienne (Small Shelly Fossils - SSF) :

  • Découverte en Sibérie.
  • Taille microscopique ($1\,\text{mm}$ à $5\,\text{mm}$).
  • Squelettes minéralisés précoces : spicules, coquilles, carapaces.
  • Comprend : éponges, mollusques, annélides, lobopodes. Cosmopolite.

• Sirius Passet (Groenland) :

  • Découvert en $1984$ par A. Higgins.
  • Âge : ~$530\,\text{Ma}$.
  • Abondance d'arthropodes et de trilobites. Absence de mollusques et d'échinodermes.

• Site de Chengjiang (Chine) :

  • Misé au jour en $1984$, inscrit à l'UNESCO en $2012$.
  • Âge : ~$525\,\text{Ma}$.
  • Conservation exceptionnelle des parties molles dans des boues fines.
  • Biodiversité : Arthropodes ($40\,\%$), Éponges ($13\,\%$), Priapuliens ($8\,\%$), Lobopodes ($5\,\%$), Chordés ($4,4\,\%$), Brachiopodes ($3,3\,\%$), Cnidaires ($3,3\,\%$).
  • Découverte de Haikouichthys : Premier poisson agnathe (vertébré sans mâchoire) de $5\,\text{mm}$, possédant des myotomes, une notochorde et des poches branchiales.

• Schistes de Burgess (Canada) :

  • Localisation : Mont Stephen, découvert par Charles Doolittle Walcott.
  • Âge : ~$505\,\text{Ma}$.
  • Abondance (Carrière Walcott) : Arthropodes ($33\,\%$), Porifères ($22\,\%$), Algues ($14\,\%$), Brachiopodes ($5\,\%$), Annélides ($3\,\%$), Mollusques ($3\,\%$), Priapuliens ($3\,\%$).
  • Modes de vie : Épibenthique ($64\,\%$), Endobenthique ($13\,\%$), Nektobenthique ($12\,\%$), Nectonique ($11\,\%$).
  • Organismes Clés :
    • Anomalocaris : Prédateur géant apparenté aux arthropodes.
    • Pikaia : Premier chordé fossile.
    • Marrella, Wiwaxia, Ottoia.

Vie et Environnement Continental

• Absence de Vie Terrestre :

  • Les continents sont désertiques.
  • Cause probable : Couche d'ozone trop mince pour filtrer les UV.
  • Conséquence géologique : Érosion intense en raison de l'absence de couverture végétale.

• Synthèse Écologique :

  • Les organismes sont majoritairement benthiques.
  • Le milieu pélagique demeure relativement pauvre.
  • Les Trilobites et les Archéocyathes (constructeurs de récifs) sont les principaux marqueurs biostratigraphiques.

Le Cambrien en Algérie et Extinctions

• Données Sahariennes :

  • Dalle à lingules : Présence de brachiopodes inarticulés (lingules) au Cambrien supérieur du Sahara.
  • Tigillites : Ichogenes verticaux (terriers de vers) fréquents dans les grès du Cambrien supérieur saharien.
  • Série Sédimentaire : Repose sur le socle panafricain déformé par une discordance infra-cambrienne. Le système gréseux cambro-ordovicien est dominant.
  • Bassin de Tindouf et Ougarta : Zones clés pour l'étude des affleurements paléozoïques.

• Extinctions :

  • Le Cambrien a connu des extinctions mineures comparativement aux « Big Five ».
  • Malgré ces crises, la biodiversité globale a tendance à augmenter depuis le début du Cambrien.
  • La biodiversité remonte plus ou moins rapidement après chaque événement d'extinction.