Du pôle sud à l'équateur : la région Nord – Pas de Calais au Paléozoïque inférieur et moyen

1. Du pôle sud à l'équateur : la région Nord – Pas de Calais au Paléozoïque inférieur et moyen Alain BLIECK & Thomas SERVAIS UMR 8014 du C.N.R.S. Université des Sciences et Technologies de Lille

2. Gosselet, J., 1880.- Esquisse géologique du nord de la France et des contrées voisines. 1er fascicule: terrains primaires. Lille, Société géologique du Nord, 167 p. + 21 pl. «  Le nord de la France ne constitue pas une région naturelle. Les frontières, tracées à coups d’épée,portent partout la marque de l’invasion et de la conquête. On n’y trouve nulle part, le moindre trait orographique, qui ait pu gêner les relations commerciales, créer des intérêts différents et servir de défense à une nationalité vaincue… Le géologue qui étudie le Nord de la France doit sans cesse tourner ses regards vers l’extérieur, et demander soit au nord, soit au sud, soit à l’est, la solution des problèmes stratigraphiques dont il n’entrevoit que l’énoncé dans sa région. » Autrement dit, Gosselet nous invite sans cesse à « aller voir ailleurs » parce qu’effectivement la géologie ne s’arrête pas aux frontières politiques et que le Nord-Pas de Calais appartient géologiquement à des ensembles différents s’étendant notamment vers le nord et l’est en Belgique.

3. Ce que l’on connaît en général de l’évolution de la surface de la Terre à l’échelle globale, depuis la fin du Paléozoïque, résultant de l’expansion des fonds océaniques et de la « dérive des continents » Actuel Reconstitutions paléogéographiques mondiales du Permien à l’Actuel d’après : http://www.scotese.com Miocène supérieur (- 14 Ma) Crétacé supérieur (- 94 Ma) Permien supérieur (- 255 Ma)

4. Nous allons évoquer des temps encore plus anciens, relevant de ce que l’on appelle le Paléozoïque (ou « Ere Primaire » de Jules Gosselet), en illustrant les étapes successives de la migration lente subie par le Nord-Pas de Calais (de l’ordre de quelques cm/an) à partir d’une position latitudinale haute (sud) et froide au Cambrien vers une position basse et chaude (l’équateur), atteinte aux environs du Permien (voir la diapo précédente). C’était le temps d’une « France désunie » puisque le rapprochement géographique du nord et du centre+sud de la France ne s’est réalisé qu’à la fin du Paléozoïque. Cette « France unie » a poursuivi sa migration vers le nord jusqu’à sa position actuelle (à environ 50° 30’ lat. N pour Lille).

5. Le Paléozoïque a duré entre 290 et 320 millions d ’années. Le trait rouge identifie les roches sédimentaires connues soit à l’affleurement (trait plein), soit en subsurface (trait pointillé) dans le Nord-Pas de Calais.

6. Si l’on élargit le champ des recherches du Boulonnais à l’Ardenne et de la Picardie/Artois au Brabant, toutes les périodes géologiques sont connues, à l’exception du Permien et du Trias (voir diapo précédente). Cependant, le Trias existe à l’affleurement plus à l’est (« golfe du Luxembourg ») et le Permien a été repéré par sondages. Nous vous proposons donc une excursion au travers des périodes les plus anciennes, du Cambrien au Dévonien.

7. Du pôle sud à l'équateur : la région Nord – Pas de Calais au Paléozoïque inférieur et moyen • Paléobiodiversité et paléobiogéographie • Nord - Pas-de-Calais et contrées voisines au Paléozoïque inférieur • Nord - Pas-de-Calais et contrées voisines au Paléozoïque moyen • Conclusion

8. La biodiversité a connu un certain nombre d’aléas au cours des temps géologiques. On reconnaît aujourd’hui classiquement 5 grandes crises d’extinction en masse (les « Big Five ») : à la fin de l’Ordovicien, au Dévonien supérieur (Frasnien/Famennien), à la fin du Permien, à la fin du Trias et à la fin du Crétacé (crise K/T) ; auxquelles certains auteurs ajoutent celle qui est en cours sous nos yeux, la crise du Quaternaire. La figure suivante montre que le Paléozoïque peut être découpé en 3 tranches de temps, terminée chacune par une crise majeure : le Paléozoïque inférieur, moyen et supérieur. Nous parlerons ici des deux premières tranches, à savoir le Paléozoïque inférieur (Cambrien + Ordovicien) et moyen (Silurien + Dévonien). Le développement de la biodiversité par évolution darwinienne est sous la dépendance des transformations de la surface de la Terre (répartition des océans, des continents, des guirlandes insulaires, des ceintures climatiques, de barrières géographiques telles que chaînes de montagnes, déserts, etc.). C’est ce que schématise la figure suivante en mettant en parallèle la courbe générale d’évolution de la biodiversité (nombre de genres) et la courbe générale de variation du niveau moyen des océans (que l’on pourrait compléter par la courbe de variation d’expansion des dorsales médio-océaniques, celle des grandes phases climatiques — « effet de serre » vs. « effet de glacière », etc.).

9. d’ après :http://www.ens-lyon.fr/Planet-Terre/Infosciences/Geodynamique/Mouvements-plaques/Expansion/vitesse.html

10. Signalons ici les hypothèses tenant aux origines extra-terrestres de certaines crises majeures (notamment la crise K/T) et l’origine vraisemblablement anthropique de la 6e crise au cours du Quaternaire. Notons que la courbe de biodiversité générale présente de fortes ressemblances avec celle des surfaces de sédiments à l’affleurement par période géologique ainsi qu’avec celle du nombre de spécialistes travaillant sur chaque période géologique … Rappelons aussi que la biodiversité globale actuelle est très mal évaluée (entre 10 et 100 millions d’espèces). La courbe de biodiversité générale au cours du temps est donc à utiliser avec précaution : elle représente plutôt une tendance générale. Nous allons donc présenter les traits principaux des configurations paléocontinentales au cours du Paléozoïque inférieur et moyen, et quelques aspects de la biodiversité du Nord-Pas de Calais au cours de ces périodes géologiques.

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12. Au Cambrien, la France est scindée en deux parties : le nord, rattaché à un élément paléocontinental nommé « Avalonia », le centre et le sud, rattachés à un autre élément nommé « Armorica ». Tous deux sont situés à la marge septentrionale d’un vaste paléocontinent nommé « Gondwana » et le nord est sous des latitudes méridionales froides (même si, à cette époque, il est à proximité de la Floride).

13. Clermont-Ferrand Lille d’après : http://www.scotese.com/newpage12.htm

14. A l’Ordovicien, nous sommes encore en position latitudinale haute et méridionale, en bordure nord du Gondwana, à plus de 60° de latitude sud. Les régions avoisinantes qui partagent les mêmes caractéristiques sont l’Irlande du sud, l’Ile de Man, l’Angleterre (« Avalonia ») et, plus à l’est, la Bretagne, la Thuringe, la Bohême (« Armorica »). La position de cet ensemble de « terrains » vis-à-vis du Gondwana est comparée à la position actuelle du Japon et des Philippines vis-à-vis de l’Asie.

15. Reconstitution paléogéographique mondiale à la limite Trémadocien/Arénigien (Ordovicien inférieur) - 479 Ma d’après Servais & Mette 2000 Rev. Palaeobot. Palynol. 113

16. Les Acritarches Un groupe d’affinités biologiques énigmatiques Elément du microphytoplancton Vésicules unicellulaires à paroi organique 20 à 150 microns env. d’après : CIMP & D. Gelsthorpe [http://www.shef.ac.uk/~cidmdp/index.html] [http://www.le.ac.uk/geology/dng1/acritarchs.html]

17. Des Acritarches ont été extraits des roches sédimentaires du Cambrien-Ordovicien du Brabant et du Massif ardennais. Ils ont joué un rôle capital dans la datation des roches des massifs de Rocroi et de Stavelot en particulier. Les spécialistes de ce groupe de microfossiles à paroi organique s’attachent, entre autres, à définir des assemblages d’Acritarches à signification biostratigraphique (datation des roches) et/ou paléobiogéographique (relations paléocontinentales et paléocéaniques).

18. Reconstitution paléogéographique au Trémadocien (Ordovicien inférieur) et distribution de l’assemblage d’Acritarches messaoudensis-trifidum, marqueur biostratigraphique de la limite Trémadocien/Arenigien en position latitudinale haute Avalonia est encore accollé à Gondwana, d’après Servais et al. sous presse Palaeo3

19. Reconstitution paléogéographique au Llanvirnien (Ordovicien moyen) et distribution du genre d’Acritarches Frankea, l’un des genres le plus cité à l’Ordovicien, marqueur de ceinture climatique Avalonia est détaché de Gondwana, en route vers Baltica d’après Servais et al. sous presse Palaeo3

20. Cette partie de l’histoire paléozoïque se termine par la 1ère des « Big Five », considérée comme la deuxième crise par son ampleur. Elle serait due à une glaciation, développée au moins sur le Gondwana (au pôle sud). Ordovicien terminal (Hirnantien) http://member.biodiversity.org.uk/teddy/projecta/4.1PhanerozoicExtinctions.htm

21. Du pôle sud à l'équateur : la région Nord – Pas de Calais au Paléozoïque inférieur et moyen • Paléobiodiversité et paléobiogéographie • Nord - Pas-de-Calais et contrées voisines au Paléozoïque inférieur • Nord - Pas-de-Calais et contrées voisines au Paléozoïque moyen • Conclusion

22. Au cours du Paléozoïque moyen, contrairement à la période précédente, le climat est globalement chaud (« effet de serre »), ce qui a pour conséquence le développement fréquent de roches telles que des calcaires sur les plates-formes marines et des grès rouges en bordure des continents (les « Vieux Grès Rouges »). Le bloc Avalonia continue sa migration vers le nord et entre en contact (collision, orogenèse) avec Baltica puis Laurentia. Le paléocéan Iapetus se ferme « en ciseaux » du SW vers le NE. L’orogène calédonien se forme depuis les Appalaches et Terre-Neuve jusqu’à la Grande-Bretagne et la Scandinavie. Le Nord-Pas de Calais se trouve alors sur la marge sud d’un vaste paléocontinent en cours de formation.

23. Lille d’après : http://www.scotese.com/newpage2.htm

24. On ne connaît que peu de Silurien dans la région où il n’affleure pas. Il n’est connu qu’en sondages et il affleure plus à l’est en Ardenne. A la faveur de travaux SNCF dans le Boulonnais (Caffiers), ont été mises à jour des argilites marines à Graptolites, Acritarches et Chitinozoaires d’âge silurien inférieur/supérieur (Wenlock/Ludlow). Les sondages des Houillères du Bassin du Nord-Pas de Calais avaient recoupé le « calcaire d’Angres » à Dayia shirleyi (membre d’Angres de la Formation de Noulette), un petit Brachiopode marin d’âge Pridoli (Silurien supérieur terminal).

25. Dayia shirleyi, membre d’Angres, Formation de Noulette, Artois ; Pridoli d’après Rachebœuf ed. 1986 Le Groupe, de Liévin … Biostrat. Paléoz. 3 Saetograptus, schistes argileux, Caffiers, Boulonnais ; Silurien inf./sup. (Saetograptus d’après Murray ed. 1985) un Graptolite monograptide

26. A la même période, d’autres organismes marins colonisent les plates-formes épicontinentales, comme par exemple les poissons du Silurien de l’île de Saaremaa en Estonie. Une partie de la même ichthyofaune est connue en Grande-Bretagne et en Artois (par l’existence d’écailles d’Acanthodiens, un groupe de poissons épineux ; ‘ I ’ sur la diapo suivante). Cet assemblage correspond également à des environnements de mers chaudes.

27. Reconstitution de l’ichthyofaune du Silurien de Saaremaa, Estonie Communauté à Tremataspis-Oeselaspis d’après Blieck & Janvier 1999 Fig. 9.3 In: Paleocommunities … Cambridge Univ. Press

28. Indicateurs de climat au Silurien d’après : http://www.scotese.com/climate.htm

29. Au Dévonien, l’assemblage des blocs continentaux Laurentia + Baltica + Avalonia est réalisé : c’est le « Continent des Vieux Grès Rouges » (= Laureuropa ou Euramerica ou Laurussia). Le Nord-Pas de Calais se situe à sa marge sud. La série sédimentaire du Dévonien inférieur de l’Artois débute par des alternances de calcaires et de sédiments argileux de plates-formes marines (la Formation de Noulette) et se poursuit par des sédiments détritiques siliceux (grès et microgrès, Formation de Pernes) offrant un assemblage de poissons, connu également en Grande-Bretagne dans les « Vieux Grès Rouges » inférieurs (« Old Red Sandstones » des auteurs anglophones). Cet assemblage comprend plus de poissons sans mâchoires (« agnathes ») que de poissons à mâchoires (Gnathostomes), ces derniers étant les prédateurs des précédents.

30. Lille d’après : http://www.scotese.com/newpage3.htm

31. Reconstitution de l’ichthyofaune du Lochkovien (Dévonien inférieur) de l’Artois d’après Blieck & Janvier 1989 Ann. Paléont. 75 (3) Communauté à Rhinopteraspis (B), Turinia (A) et Kujdanowiaspis (C) ; + Pattenaspis (D) sensu Blieck & Janvier 1999 In: Paleocommunities … Cambridge Univ. Press

32. Au Dévonien moyen et supérieur, des dépôts de type récifal et périrécifal sont connus notamment dans le Boulonnais, tels que les calcaires de la carrière du Griset (membre du Griset, Formation de Blacourt, Givétien). Les calcaires du Griset ont livré de très riches assemblages typiques d’environnements marins chauds, avec de nombreux organismes constructeurs (« Coraux », Stromatopores, Bryozoaires, « Vers ») et des organismes benthiques (Brachiopodes, Crinoïdes, Conodontes, Ostracodes, etc.). Un assemblage de poissons assez diversifié y a aussi été découvert. Il ne comporte que des poissons à mâchoires (Gnathostomes) et, parmi eux, des brouteurs de coraux, des conchyliophages, des prédateurs piscivores, etc. Curieusement cet assemblage ne comporte pas de « requins » (Chondrichthyens), mais ils ont été découverts dans le Frasnien du Boulonnais.

33. Reconstitution de la faune du Givétien (Dévonien moyen) du Griset, Boulonnais d’après Lelièvre et al. 1988 in: Brice ed. Le Dévonien de Ferques … Biostrat. Paléoz. 7

34. Au Dévonien supérieur, la région est donc située en zone chaude « intertropicale » sur la marge sud du « Continent des Vieux Grès Rouges » en voie d’assemblage avec le Gondwana. La Pangée est déjà en cours de formation, avec les premières manifestations orogéniques au cours du Dévonien dans le Massif Central par exemple. « La France est en train de se construire » par rapprochement de la partie nord (d’abord « avalonienne » puis « laureuropéenne ») et de la partie sud (« armoricaine/gondwane »).

35. Indicateurs de climat au Dévonien supérieur d’après : http://www.scotese.com/climate.htm

36. La région subit, comme le reste de la planète, l’extinction en masse du Dévonien supérieur, entre Frasnien et Famennien. Cette crise est attribuée soit à une période glaciaire, soit à un impact météoritique (?), soit à d’autres causes invoquant des mécanismes complexes. Ce problème a fait l’objet d’une étude pluridisciplinaire dans le cadre du programme national ECLIPSE (http://medias.obs-mip.fr/eclipse/): « Impact d'une orogenèse sur le climat et la biosphère : la chaîne acado-ligérienne (380-360 Ma) et les événements globaux de la limite Frasnien-Famennien ». Dans le nord de la France et en Belgique, le passage du Frasnien au Famennien correspond à un changement majeur roches calcaires --> roches détritiques (« schistes de la Famenne », « psammites du Condroz » en Ardenne ; « grès de Sainte Godeleine » en Boulonnais). Les récifs disparaissent. L’assemblage de poissons du Famennien est lui aussi très différent de celui du Frasnien. L’ichthyofaune famennienne du massif ardennais est proche d’autres ichthyofaunes de même âge, ayant fourni les plus anciens représentants des Tétrapodes (Pennsylvanie, Groenland, Ecosse, Lettonie, Russie, Chine, Australie). Le Famennien du Condroz a également fourni récemment un représentant du genre Ichthyostega, un Tétrapode connu dans le Famennien du Groenland oriental.

37. ? ? Dévonien supérieur (Frasnien / Famennien) http://member.biodiversity.org.uk/teddy/projecta/4.1PhanerozoicExtinctions.htm

38. Du pôle sud à l'équateur : la région Nord – Pas de Calais au Paléozoïque inférieur et moyen • Paléobiodiversité et paléobiogéographie • Nord - Pas-de-Calais et contrées voisines au Paléozoïque inférieur • Nord - Pas-de-Calais et contrées voisines au Paléozoïque moyen • Conclusion

39. L’histoire de la région au cours du Paléozoïque inférieur et moyen peut donc brièvement se résumer en une migration des latitudes sud vers l’équateur. Elle arrive, au cours du Dévonien, sous les tropiques. Elle sera, au cours du Carbonifère, sous l’équateur ... Migration de la région Nord - Pas-de-Calais au cours du Paléozoïque inférieur et moyen. Exercice : à l’aide des valeurs des latitudes et des âges radio-isotopiques affichés, calculez la vitesse moyenne de migration entre le Cambrien et le Dévonien.

40. Le mot de la fin « Je pourrais m’étendre davantage sur l’utilité pratique de la géologie, pour la montrer intervenant à chaque pas dans les grands travaux publics, déterminant  d’avance la dureté des roches traversées par le tunnel des Alpes et cherchant au fond de la mer la direction de la couche imperméable, où pourra s’établir le souterrain qui doit rattacher l’Angleterre au Continent. Mais, dans une société comme la nôtre, on ne considère pas seulement une science par ses applications, on la cultive pour elle-même, pour les connaissances qu’elle nous apporte, pour les progrès qu’elle nous fait faire dans la recherche philosophique des principes et des causes. Sous ce rapport, la géologie n’a rien à envier aux autres sciences. » Gosselet, J., 1881 Discours prononcé par M. GOSSELET, Président de la Société des Sciences, dans la séance solennelle de distribution des prix du 11 décembre 1881. Lille, Imp. L. Danel