À la recherche du passé géologique de notre planète

Deux couches contenant le même assemblage de fossiles caractéristiques ont le même âge, même si elles sont géographiquement distantes et de nature lithologique différente. Ce principe est le fondement de la corrélation des séries à l'échelle mondiale et permet de raccorder le principe de continuité au-delà des discontinuités de terrain.

Les ammonites (mollusques céphalopodes à coquille enroulée) sont des fossiles stratigraphiques majeurs du Mésozoïque. Les trilobites caractérisent le Paléozoïque, tandis que certains foraminifères (nummulites) marquent le début du Cénozoïque. La présence d'une ammonite d'une espèce donnée dans deux couches éloignées permet d'affirmer qu'elles se sont déposées au cours d'un même intervalle de temps.

Soit $N(t)$ le nombre de noyaux radioactifs père présents à l'instant $t$, et $N_0=N(0)$ leur nombre initial. Le nombre de noyaux décroît selon la loi :

$$N(t)=N_0{e}^{-\lambda t}$$

où $\lambda$ (en $\mathrm{a}{\mathrm{n}}^{-1}$ ou ${\mathrm{s}}^{-1}$) est la constante radioactive, caractéristique de chaque isotope. Cette constante est indépendante de la température, de la pression et des conditions chimiques, ce qui garantit la fiabilité de l'horloge.

Chaque couple isotopique possède une demi-vie propre : il n'est pertinent que sur une certaine gamme d'âges. On ne peut dater que des durées qui n'excèdent pas quelques fois $t_{1/2}$ ; chaque couple a ainsi son propre domaine d'utilisation, indiqué ci-dessous.

• Carbone 14 (${}^{14}\mathrm{C}\to {}^{14}\mathrm{N}$), $t_{1/2}\approx 5730\mathrm{ans}$ : matières organiques récentes, jusqu'à environ $50000\mathrm{ans}$.
• Potassium-Argon (${}^{40}\mathrm{K}\to {}^{40}\mathrm{Ar}$), $t_{1/2}\approx 1,25\times 10^9\mathrm{ans}$ : roches volcaniques.
• Rubidium-Strontium (${}^{87}\mathrm{Rb}\to {}^{87}\mathrm{Sr}$), $t_{1/2}\approx 48,8\times 10^9\mathrm{ans}$ : roches très anciennes (méthode de l'isochrone).

Lors de la cristallisation d'une lave, l'argon (gaz) s'échappe : la roche se forme sans ${}^{40}\mathrm{Ar}$ ($N_f=0$ à $t=0$). Le « chronomètre » est alors remis à zéro. Par la suite, le ${}^{40}\mathrm{K}$ se désintègre et l'${}^{40}\mathrm{Ar}$ produit reste piégé dans le minéral, supposé système clos. La mesure du rapport ${}^{40}\mathrm{Ar}{/}^{40}\mathrm{K}$ donne directement le temps écoulé depuis la solidification.

Le Phanérozoïque (« vie visible ») se divise en trois ères :

• Paléozoïque (de $\approx 541$ à $252\mathrm{Ma}$), clos par la plus grande extinction connue (crise Permien--Trias) ;
• Mésozoïque (de $\approx 252$ à $66\mathrm{Ma}$), ère des dinosaures, achevée par la crise Crétacé–Paléogène ;
• Cénozoïque (de $\approx 66\mathrm{Ma}$ à l'actuel), marqué par la diversification des mammifères.

($\mathrm{Ma}$ désigne le million d'années.) Ces limites, d'abord repérées par les changements de faunes fossiles, ont été datées par radiochronologie sur des niveaux volcaniques associés.

Pour interpréter le passé, on admet que les lois physiques, chimiques et biologiques étaient les mêmes qu'aujourd'hui : « le présent est la clé du passé ». Ainsi, retrouver un fossile dont les parents actuels vivent dans un milieu précis permet d'attribuer ce même milieu à la roche qui le contient.

La présence de coraux constructeurs fossiles indique une mer chaude, peu profonde et bien éclairée. Un dépôt de charbon traduit un marécage à forte végétation. Des évaporites (gypse, sel) signalent un climat aride avec forte évaporation. Combinés à l'analyse isotopique de l'oxygène des tests calcaires, ces indices permettent de reconstituer les variations climatiques anciennes.