Arquidia Mantina

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L’histoire de la Terre

Les objectifs de ce chapitre sont les suivants :

  • Expliquer les différents modes de préservation des fossiles
  • Identifier le mode de préservation des échantillons

Tout le monde sait ce qu’est un fossile ! Alors, comment définir ce terme ? Dans ce laboratoire, nous le définirons comme toute preuve de l’existence de la vie préhistorique. Ce qui est difficile à définir dans cette définition, c’est ce que l’on entend par préhistorique. Considéreriez-vous les corps conservés à Pompéi comme des fossiles ou les restes d’un mastodonte congelé du Pléistocène, suffisamment bien conservés pour être mangés ? Certains disent que tout ce qui a plus de 11 000 ans est un fossile, mais cette partie de notre définition est une question de sémantique. Un bon endroit pour en savoir plus sur les fossiles et la fossilisation est l’Atlas numérique de la vie ancienne.

Nous commençons ce chapitre sur la façon dont les organismes se fossilisent par un exercice rapide. La figure 6.1 contient trois organismes différents.

Figure 6.1 – a) Vers, b) varech géant ; c) coquilles de moules. Crédit image : a) Soil-Net, CC BY-NC-SA ; b) NPS, domaine public ; c) Linnaea Mallette, domaine public.
  1. Quel organisme de la figure 6.1 a, selon vous, le plus de chances de devenir un fossile et pourquoi ?

  2. Quel organisme a, selon vous, le plus de chances de laisser derrière lui une trace fossile ? ____________________

6.2 Types de préservation

Les fossiles sont préservés par trois méthodes principales : les parties molles ou dures non altérées, les parties dures altérées et les traces fossiles. Vous avez déjà appris à connaître les traces fossiles au chapitre 4. La taphonomie est la science de la façon dont les organismes se décomposent et se fossilisent, ou passent de la biosphère à la lithosphère.

Les fossiles non altérés sont incroyablement rares, sauf lorsqu’ils sont capturés dans l’ambre, piégés dans le goudron, séchés ou congelés comme un mammouth laineux préservé. L’ambre est la résine d’arbre fossilisée qui peut piéger les fleurs, les vers, les insectes ainsi que les petits amphibiens et mammifères. Le père de l’un des auteurs faisait partie d’une opération de dragage d’une mine d’or qui a mis au jour un veau de mammouth laineux (surnommé Effie) en Alaska ; il s’agissait des premiers restes momifiés de mammouth découverts en Amérique du Nord. Même s’il a été enterré il y a environ 21 300 ans, il est encore constitué de tissus et de poils. Parfois, il ne reste que des résidus organiques qui sont détectés par des techniques de biochimie moléculaire. Les fossiles les plus anciens de la Terre ne sont préservés que sous forme de molécules organiques complexes.

Les tissus mous sont difficiles à préserver car ils doivent avoir été enterrés dans un environnement sédimentaire sans oxygène et à faible énergie, où la décomposition bactérienne ne peut se produire. Comme ces conditions sont peu fréquentes, la préservation des tissus mous se produit rarement. Au lieu de cela, les exemples courants de fossiles inaltérés sont des matériaux squelettiques qui ont été préservés avec peu ou pas de changements. De nombreux fossiles d’invertébrés marins et microfossiles ont été préservés de cette manière. Les paléontologues examinent désormais les fossiles de plus près et commencent à reconnaître les fines couches de carbone dans la roche autour des fossiles comme des tissus mous. Récemment, une équipe dirigée par Mark Norell, paléontologue à l’American Museum of Natural History de New York, a identifié une couche de carbone autour d’embryons de dinosaures formés il y a plus de 200 millions d’années, qu’ils pensent être une coquille d’œuf molle !

Les fossiles non altérés contiennent des minéraux qui ont été produits biologiquement ; il s’agit notamment de l’apatite (dans les os et les dents et rarement dans les exosquelettes, dureté = 5), de la calcite (carbonate de calcium présent dans de nombreux organismes comme les coquillages, dureté = 3, pétille dans l’acide), de l’aragonite (similaire à la calcite, mais un polymorphe instable) et de l’opale (un type de silice présent dans les animaux et les plantes marins, dureté = 7). Les parties dures (exosquelette) de certains insectes et arthropodes sont constituées de chitine, un polysaccharide apparenté à la cellulose. Ainsi, si vous pouvez identifier les minéraux présents dans un fossile, vous pouvez distinguer s’il s’agit d’un matériau original ou altéré.

L’altération des parties dures est beaucoup plus fréquente dans les fossiles et se produit lorsque le matériau squelettique original est soit perminéralisé, recristallisé, remplacé, carbonisé ou dissous (tableau 6.1).

Tableau 6.1 – Types courants de préservation des fossiles
Type de préservation Exemple
La perminéralisation se produit dans les tissus poreux comme les os et le bois. Dans ce type de préservation, des minéraux dissous dans l’eau, comme le quartz, la calcite ou la pyrite, pénètrent dans l’espace poreux et cristallisent. L’ajout de ces minéraux donne lieu à des fossiles plus denses et plus durables. La matière osseuse ou ligneuse d’origine peut être préservée, ou bien elle peut être remplacée ou recristallisée
Figure 6.2 – Bois pétrifié du parc national de la forêt pétrifiée, AZ. Crédit image : Jon Sullivan, Domaine public.
La recristallisation implique un changement dans la structure cristalline, mais pas un changement dans la chimie minérale, similaire à la recristallisation dans les roches métamorphiques. Par exemple, le minéral aragonite, un minéral commun à de nombreux coquillages, se transforme parfois en calcite, une forme plus stable géologiquement de la même composition chimique, CaCO3 (alias un polymorphe). Généralement, la taille et la forme globales d’un fossile recristallisé ne varient pas sensiblement par rapport au spécimen original non altéré, mais les détails fins peuvent être perdus.
Figure 6.3 – Corail recristallisé d’âge silurien provenant de l’Ohio. Crédit image : James St. John, CC BY.
Le remplacement est la substitution du matériel squelettique original par un minéral secondaire. Par exemple, la calcite d’une coquille d’huître peut être remplacée, molécule par molécule, par de la silice. Il est remarquable que le fossile remplacé puisse conserver certains des fins détails cellulaires présents dans l’original, même si sa composition a changé. Dans ce type de fossilisation, l’espace interstitiel n’est pas rempli et les fossiles ne sont pas aussi denses. Les minéraux de remplacement les plus courants sont la silice (quartz), la pyrite, la dolomite et l’hématite. Le remplacement par la pyrite crée des fossiles spectaculaires, notamment ceux hébergés par les schistes noirs !
Figure 6.4 – Fossiles du Permain moyen remplacés par de la silice de la formation de Road Canyon au Texas. Crédit image : Wikimedia user Wilson44691, CC BY-SA.
La carbonisation est un type de préservation des fossiles dans lequel l’organisme est préservé sous la forme d’un film résiduel et mince de carbone au lieu de la matière organique d’origine. Les feuilles, les poissons et les graptolites sont couramment conservés de cette manière. La compression de l’organisme d’origine entraîne la formation de fines couches de carbone. La carbonisation peut également entraîner la formation de charbon.
Figure 6.5 – Carbonisation de graptolites d’âge silurien provenant de Pologne. Crédit image : James St. John, CC BY.
Les moules et les moulages se forment lorsque le matériel squelettique original se dissout. L’organisme laisse derrière lui une empreinte dans les sédiments, appelée moule, et si cette empreinte se remplit de nouveaux sédiments, cela crée un moulage. Les moulages sont réalisés à partir de moules.
Figure 6.6 – Un moule (à gauche) et un moulage (à droite) d’un fossile de trilobite. Crédit image : Roger Wellner.
Les moules internes se forment lorsque les sédiments remplissent l’intérieur d’une coquille avant de se dissoudre ; cela se produit à l’intérieur des bivalves, des escargots ou des crânes. Souvent, les gens confondent les moulages et les moules internes car les deux ont un relief positif. Les moules internes préservent un moule tridimensionnel de l’intérieur de l’organisme, alors qu’un moulage va préserver la structure de la partie la plus externe de l’organisme.
Figure 6.7 – Dissolution d’un gastéropode qui a laissé un moule interne de l’organisme. Crédit image : James St. John, CC BY.

Les fossiles-traces, dont nous avons parlé au chapitre 4, ne sont pas vraiment des fossiles mais la preuve que des organismes ont affecté les sédiments en s’enfouissant, en marchant ou même en laissant derrière eux des excréments ou du vomi. Sans blague, il existe des crottes fossiles ; ce type de trace fossile est appelé « coprolite », du mot grec kopros, qui signifie « excrément ». Un dernier type rare de traces fossiles sont les gastrolithes, des pierres polies extrêmement lisses qui facilitaient la digestion des animaux et des fossiles tels que les dinosaures et les crocodiles. Ils sont plus fortement polis que les graviers usés par les cours d’eau.

Figure 6.8 – Différentes parties d’organismes comparées à la façon dont elles peuvent être conservées sous forme de fossiles. Les cercles verts correspondent à des types de fossilisation courants, les cercles verts clairs et pointillés sont moins courants, et les cercles verts clairs sont des manières peu communes à rares. Ce tableau est modifié à partir de Ritter et Peterson (2015).
Figure 6.9 – Types de fossilisation incluant l’altération et le remplacement de la coquille originale. Suivez les flèches d’une case à l’autre pour voir comment différents processus peuvent aboutir à des moules et des moulages. La couleur brune est une roche sédimentaire. Le motif aléatoire représente du carbonate recristallisé et le motif pointillé représente des minéraux secondaires tels que la silice ou la pyrite. Crédit d’image : Coquille montrant les lignes de croissance et la structure interne adaptée de Casella et al., 2017 et processus de fossilisation adapté de Ritter et Peterson (2015).

Ce modèle montre une coquille fossile préservée à droite (pas un moulage, original) et un moule externe à gauche du céphalopode ammonoïde Gunnarites sp. provenant de la formation crétacée Lopez de Bertodano de l’île Snow Hill, Antarctique. Le spécimen fossile provient des collections de la Paleontological Research Institution, Ithaca, New York. Le diamètre du spécimen (sans la roche environnante) est d’environ 9 cm.

Céphalopode : Gunnarites sp. (PRI 61543)
par Digital Atlas of Ancient Life
on Sketchfab

Voici un exemple de moule interne (1) et externe (2) du gastéropode Cassidaria mirabilis provenant du Crétacé de l’île Snow Hill, en Antarctique. Le spécimen provient des collections de la Paleontological Research Institution, Ithaca, New York, et mesure environ 6 cm de long (sans compter la roche environnante).

Gastropode : Cassidaria mirabilis (PRI 58468)
par Digital Atlas of Ancient Life
on Sketchfab

Plus de modèles 3D sur la préservation des fossiles sont disponibles sur le site Digital Atlas of Ancient Life.

Si un ami vous demande un jour de l’aider à identifier un fossile, faites attention aux pseudofossiles, des accidents de diagenèse qui ressemblent à un fossile mais qui ne sont que des formations sédimentaires bizarres comme les nodules septariens que l’on prend pour de la peau de reptile ou des carapaces de tortue, les concrétions sont prises pour des œufs, et les dendrites d’oxyde de manganèse que l’on prend pour des fougères ou des mousses.

6.3 Manipulation des fossiles

Si vous prenez ce laboratoire lorsque l’enseignement se fait en face à face dans un laboratoire, vous pourrez manipuler des spécimens réels et des répliques de fossiles. Bien que ces derniers aient pu exister pendant des millions ou des milliards d’années et qu’ils semblent être maintenant des roches, ils doivent être traités avec respect. Certains des fossiles que vous pouvez manipuler peuvent être le seul spécimen de son genre dans la collection.

Si vous vous êtes demandé comment commencer votre propre collection de fossiles, vous pouvez soit aller commencer à trouver les vôtres, soit les acheter. Le prix des fossiles à vendre varie de bon marché à outrageusement cher. En 2020, un collectionneur anonyme a acheté un fossile de Tyrannosaurus rex, surnommé Stan, pour 31,85 millions de dollars. Ce spécimen ne comptait que 188 os et était l’un des plus complets de son espèce. Vous pouvez également trouver des fossiles peu coûteux, comme des escargots fossilisés du Maroc pour seulement 0,30 $ chacun.

Certains fossiles sont extrêmement fragiles. Certains échantillons délicats sont préparés par abrasion à l’air avec du talc pour enlever la matrice. Pour certains spécimens de trilobites, cela prend des milliers d’heures pour exposer leurs caractéristiques délicates.

Certains fossiles que vous utiliserez peuvent être faciles à remplacer et d’autres impossibles. D’autres peuvent faire partie de la collection personnelle d’un membre du corps enseignant. Ne manipulez que les spécimens que votre TA vous autorise à manipuler.

Les fossiles ne seront disponibles pour vous examiner que pendant la session de laboratoire. Lors de la récente pandémie, de nombreux exemples similaires sont collectés sous forme d’images web dont votre TA vous donnera un lien.

Vous êtes libre de faire des croquis ou de photographier les spécimens. Si vous le faites, vous voudrez peut-être mettre une échelle dans l’image, comme une pièce de monnaie ou une règle. Cela vous aidera à vous souvenir de la taille de l’objet.

Certains spécimens auront des étiquettes ou des numéros écrits dessus et d’autres non car ils peuvent être trop fragiles pour être même écrits. Il est crucial que vous remettiez chaque spécimen dans sa boîte ou son emplacement approprié dans un plateau de laboratoire. De même, ne déplacez aucune des étiquettes en papier des boîtes. Cela évitera toute confusion pour les autres étudiants du laboratoire.

Certains des plus grands spécimens peuvent être lourds surtout ceux qui sont des moules remplis de sédiments. N’essayez jamais de gratter les spécimens pour en déterminer la dureté. De même, n’utilisez jamais d’acide comme test minéral.

Enfin, si vous cassez ou volez un spécimen, son remplacement vous sera facturé.

Inspectez la première série d’échantillons et remplissez le tableau avec des informations sur la présence de matériel biologique original, le relief positif et négatif, et la composition minérale des échantillons. Identifiez le mode de préservation des fossiles. Utilisez l’organigramme de la figure 6.10 pour vous aider.

Figure 6.10 – Organigramme pour identifier le type de préservation des fossiles. Crédit image : Carlos Andrade.

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Tableau 6.1 – Feuille de travail pour l’exercice 6.2
Échantillon Matériau d’origine présent ? Relief* Composition minérale* Type de préservation

*Notez que vous pouvez ne pas voir le relief ou ne pas être en mesure d’identifier le minéral. Laissez ces éléments en blanc si nécessaire.

Réflexion critique : Pourquoi le remplacement est-il le mode de conservation le plus courant ?

La façon dont un organisme peut se fossiliser dépend de beaucoup de choses. Voici quelques exemples auxquels réfléchir.

  1. Examinez un moule externe dans votre collection de fossiles. Ceux-ci préservent couramment des détails tels que les nervures des feuilles ou les écailles des poissons.
    1. Quelle est la taille des grains de la roche environnante ? ____________________
    2. Pensez-vous que ces impressions pourraient être préservées dans des sédiments à gros grains ?

  2. Regardez quelques exemples de carbonisation. Dans ceux-ci, la matière noire est le vestige du carbone organique qui n’a jamais été oxydé (décomposé). Dans quelles conditions ce type de préservation pourrait-il se produire ?

  3. Votre collection de fossiles peut contenir des graptolites ; un organisme planctonique et colonial éteint qui sécrétait une enveloppe organique de chitine semblable à votre cellulose. Ces colonies sont généralement préservées sous forme d’impressions bidimensionnelles, presque toujours noires (indiquant la carbonisation de la chitine).
    1. Quel type de roches sont les plus propices à la découverte de graptolites ?

    2. Quelles étaient les conditions d’enfouissement ?

  4. Certains os et dents peuvent être conservés comme des os non altérés ou des dents de requin.
    1. Comment les distinguer des os fossiles perminéralisés ?

    2. Le bois perminéralisé peut-il rayer le verre ?

  5. Envisagez maintenant le large éventail d’environnements sédimentaires.
    1. Quels sont les environnements sédimentaires qui ne conviennent pas à la préservation des fossiles ?

    2. Quels environnements sédimentaires sont bons pour préserver les fossiles ?

    3. Quels environnements de dépôt au sein des environnements continentaux et marins sont les meilleurs pour préserver les fossiles ? Expliquez.

    4. Les éruptions volcaniques peuvent-elles préserver les fossiles ? Expliquez.

    5. Comment l’énergie du milieu sédimentaire peut-elle affecter la préservation des fossiles ?

    6. Peut-on trouver des fossiles dans les roches métamorphiques ? Si oui, quels sont les facteurs qui aident à leur préservation ?

  6. Pensée critique : Il y a plus de fossiles d’invertébrés que de vertébrés dans cet exercice de laboratoire. Expliquez pourquoi.

Au cours du Permien, il y a 299 à 252 millions d’années, un vaste système récifal s’est développé dans l’ouest du Texas au bord d’un petit bassin marin intérieur qui s’étendait sur 26 000 km² (10 000 miles carrés). On l’appelle aujourd’hui le bassin du Delaware, où se trouve un important champ pétrolifère (figure 6.11). Ce récif est maintenant exposé dans trois chaînes de montagnes : Apache, Guadalupe et Glass Mountains. Ailleurs, le récif est maintenant enfoui sur tout le pourtour du bassin.

Figure 6.11 – Carte du récif permien exposé et non exposé qui encerclait le bassin du Delaware, une mer intérieure. Crédit d’image : Adapté par Virginia Sisson du National Park Service.

À la différence des récifs coralliens modernes tels que la Grande Barrière de Corail d’Australie ou les récifs au large des côtes de Floride et de Belize, il était construit à partir d’éponges, d’algues et d’animaux en dentelle appelés bryozoaires. Une magnifique exposition de ce récif se trouve à El Capitan, dans le parc national des montagnes de Guadalupe. Le récif est subdivisé en trois parties : le récif arrière, le récif avant et le récif arrière. Chacune avait son propre écosystème unique ainsi que sa lithologie et sa préservation. La partie profonde de ce bassin atteignait des profondeurs de près de 800 mètres (½ mile) et c’est là que beaucoup de matière organique a été déposée, laissant des schistes noirs – la source du pétrole.

Figure 6.12 – Coupe transversale schématique à travers un récif montrant le récif arrière, le récif et le récif avant ainsi que le bassin marin. Crédit d’image : Adapté par Virginia Sisson du National Park System.

La mer intérieure du Delaware avait un débouché étroit vers l’océan Panthalassan, un peu comme la mer Noire aujourd’hui. Après ~30 millions d’années, l’entrée s’est restreinte et le bassin a commencé à s’assécher en formant de vastes dépôts d’évaporite (formations de Castille et de Salado). Cela a créé des saumures acides sursaturées qui ont commencé à dissoudre le récif carbonaté sous-jacent, formant des grottes et des karsts étendus que vous pouvez maintenant visiter dans le parc national de Carlsbad Caverns et dans la grotte de Lechuguilla – la huitième plus longue grotte explorée au monde, avec une longueur d’environ 220 km. Ces saumures ont également dissous les éponges riches en silice qui ont formé le récif et ont affecté la préservation des fossiles dans certaines parties de ce système récifal permien.

La stratigraphie de ce bassin est compliquée car non seulement elle varie avec le temps mais aussi avec la position dans le récif. Selon une analyse stratigraphique récente des séquences, il y a eu jusqu’à six séquences transgressives à régressives dans ce bassin (Kerans et Kempter, 2002). La figure 6.13 donne une stratigraphie simplifiée pour le bassin au cours du Permien.

Figure 6.13 – Stratigraphie simplifiée pour le bassin du Delaware. Crédit d’image : Simplifié par Virginia Sisson à partir de Kerans et Kempter (2002).

Les fossiles de la formation Capitan des Glass Mountains sont préservés de façon unique (voir figure 6.4). Les paléontologues ont découvert qu’il est facile de dissoudre le carbonate hôte dans un acide faible et de laisser derrière soi des spécimens spectaculaires.

Figure 6.14 – Fossiles de la formation Capitan des montagnes de verre. a) texte ici ; b) texte ici ; c) texte ici ; d) texte ici. Crédit d’image : a) utilisateur Wikimedia Wilson44691, CC0 Public Domain ; b) texte ici ; c) utilisateur Wikimedia Wilson44691, CC0 Public Domain ; d) texte ici
  1. Le minéral de ces fossiles est plus dur que le verre et ne pétille pas car il n’est plus un carbonate. Parfois ce minéral n’est qu’un revêtement et d’autres fois le fossile entier est ce nouveau minéral.
    1. Qu’est-ce que le minéral ? ____________________
    2. Quel est le mode de conservation de ces fossiles ? ____________________
    3. Des fluides ont-ils été impliqués dans leur préservation ? Si oui, quelle était leur composition ?

    4. Pourquoi pensez-vous que ce type de préservation se trouve dans cette seule unité stratigraphique.

    5. Quelle partie du récif a-t-on trouvé ces fossiles ? Récif arrière, récif, récif avant ou bassin ? ____________________
  2. Ailleurs dans la formation Skinner Ranch des Glass Mountains, les fossiles comprennent cette étonnante denture en dents de scie d’une créature éteinte ressemblant à un requin, connue sous le nom d’Helicoprion.
    1. Dans quel type de sédiment se trouve ce fossile ? ____________________
    2. Quel est le mode de conservation de ce fossile ? ____________________
    3. À quel endroit du récif Helicoprion vivait-il ? Récif arrière, récif, récif avant ou bassin ? ____________________
  3. Dans les montagnes de Guadalupe, vous pouvez trouver d’épaisses couches de carbonate avec de nombreux fossiles tels que ceux-ci :
    1. Quel est ce minéral ? ____________________
    2. Quel est le mode de conservation de ces fossiles ? ____________________
    3. Des fluides ont-ils été impliqués dans leur préservation ? Si oui, quelle était leur composition ?

    4. Pourquoi pensez-vous que ce type de préservation se trouve dans cette seule unité stratigraphique.

    5. Quelle partie du récif a-t-on trouvé ces fossiles ? Récif arrière, récif, récif avant ou bassin ? ____________________
  4. Pensée critique : Résumez vos observations sur les modes de préservation dans les différentes parties du système récifal permien. Pouvez-vous expliquer pourquoi la préservation est la même ou différente autour de l’ancien récif ?

Casella, L.A., Griesshaber, E., Yin, X., Ziegler, A., Mavromatis, V., Müller, D., Ritter, A.-C., Hippler, D., HarperE.M/, Dietzel, M., Immenhauser, A., Schöne, B.R., Angiolini, L., et Schmahl, W.W., 2017, Biogeosciences, 14, 1461-1492, doi:10.5194/bg-14-1461-2017.

Kerans, C., et Kempter, K., 2002, Hierarchical stratigraphic analysis of a carbonate platform, Permian of the Guadalupe Mountains : The University of Texas at Austin, Bureau of Economic Geology (American Association of Petroleum Geologists/Datapages Discovery Series No. 5), CD-ROM.

Norell, M.A., Weimann, J., Fabbri, M., Yu, C., Marsicano, C.A., Moore-Nall, A., Varricchio, D.J., Pol, D., et Zelinitsky, D.A., 2020, The first dinosaur egg was soft. Nature, 583, 406-410, Publié en ligne le 17 juin 2020. doi : 10.1038/s41586-020-2412-8

Ritter, S., et Peterson, M., 2015, Interpreting Earth History : Un manuel de géologie historique, huitième édition, Waveland Press Inc, 291 pp.

animal dépourvu de colonne vertébrale comme une palourde ou un ver

animal doté d’une colonne vertébrale comme un chien ou un chat

période géologique qui s’étend sur 47 millions d’années à la fin de l’ère paléozoïque, de la fin du Carbonifère (298.9 Ma) au début de l’ère mésozoïque avec la période triasique (251,902 Ma)

organismes multicellulaires dont le corps est rempli de pores permettant à l’eau de circuler à travers eux. Ils sont constitués de collagène et certains possèdent des spicules riches en silice.

un type d’animaux aquatiques invertébrés. Ce sont des filtreurs qui extraient les particules alimentaires de l’eau à l’aide de tentacules.

un super océan qui entourait tout le supercontinent Pangée

un type de sédiment constitué de minéraux hydrosolubles déposés après concentration et cristallisation par évaporation à partir d’une solution aqueuse

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