Initialement envisagée comme une glaciation longue (>10 Ma), la glaciation de l’Ordovicien supérieur a été ensuite considérée comme un événement climatique court, bien que polyphasé, correspondant à une partie seulement de l’étage Hirnantien (445,6-443,7 Ma). Cependant, un nouveau consensus émerge, considérant une multiplicité d’événements glaciaires au cours de l’Ordovicien supérieur et du Silurien inférieur. L’événement hirnantien n’en serait que le climax. Si l’essentiel des archives glaciaires s.s. est d’âge Hirnantien, les régressions forcées antérieures et postérieures sont à considérer elles-aussi comme la signature d’événements glaciaires.
A la différence des successions glaciaires néoprotérozoïques et permo-carbonifères, l’enregistrement sédimentaire de la glaciation Ordovicien supérieur sur le domaine nord-gondwanien est préservé au sein de bassins de plate-forme intracratonique en contexte tectonique stable. Il en résulte un enregistrement stratigraphique peu épais (typiquement, 50 à 200 m) ainsi qu’une communauté de faciès et d’architecture sédimentaires reconnaissables de la Mauritanie à l’Arabie Saoudite, et de l’Espagne à la Turquie. La migration des fronts glaciaires depuis les domaines internes à subsidence faible ou nulle vers ce domaine de plate-forme peu (< 5 m/Ma) à ‘fortement’ (>50 m/Ma) subsident a conditionné le style sédimentaire de l’enregistrement glaciaire Ordovicien supérieur. En dehors des zones marginales à externes, l’essentiel de l’accommodation ayant permis la préservation d’archives glaciaires (planchers glaciaires, glaciotectonique, faciès glaciomarins…) résulte d’érosions localisées (< 5 km, ex. : vallée en tunnel) à généralisées (> 100 km, ex. : fleuve de glace).
Le système sédimentaire sous contrôle glaciaire peut être appréhendé selon deux perspectives. Dans la première, on considère une pulsation glaciaire en particulier mais à l’échelle de la plate-forme nord-gondwanienne ; c’est la méthode retenue lorsque l’on étudie spécifiquement l’un ou l’autre des deux grands cycles glaciaires hirnantiens. La seconde perspective consiste à caractériser pour un secteur restreint de la plate-forme la signature sédimentaire de chacun des événements glaciaires successifs, sachant que la nature de cette signature dépend au premier ordre de la distance au front glaciaire ; c’est la méthode retenue lorsque que l’on étudie une succession stratigraphique dans son ensemble (ex. : l’Anti-Atlas marocain ou le Bassin de Murzuq en Libye). Croiser ces deux types d’approche permet de proposer un modèle sédimentaire explicitant les architectures stratigraphiques de séquences de dépôt sous contrôle glaciaire depuis les domaines distaux (atteignant le rebord de plate-forme et jamais atteints par la glace) jusqu’aux domaines les plus internes (vers le centre du Gondwana, et englacés sur le long terme). Les contrastes de subsidence et la présence ou l’absence d’un fleuve de glace sur une zone considérée semblent être responsables des variabilités latérales observables entre différents bassins sédimentaires.
Cette glaciation et la transgression postglaciaire corrélative ont généré un système pétrolier associant un ensemble de structures réservoir (ex. : paléoreliefs, paléovallées, cônes d’épandage proglaciaires, dépôts tidaux transgressifs) et une roche-mère localement très prolifique (COT >15%). Si la nécessité de la caractérisation de ce système a abouti à une meilleure connaissance des archives sédimentaires glaciaires, il existe encore de nombreuses zones d’ombre que le champ de recherche académique doit encore éclaircir, en particulier celles qui concernent les relations entre glaciation, dérives isotopiques et signaux biologiques.
— la mise en place du décor : la plate-forme nord-gondwanienne
Bien connaître la dynamique d’un domaine sédimentaire particulier permet de mieux caractériser les changements qui lui sont imposés par la mise en route d’une glaciation. Il est également intéressant de pouvoir estimer l’ampleur d’une discordance de ravinement (érosion glaciaire ou surface d’émersion) à partir d’une succession stratigraphique. L’analyse des successions préglaciaires d’âge cambro-ordovicien a été menée en Mauritanie, en Algérie, en Libye et en Turquie. La Mauritanie permet de caractériser un domaine sédimentaire cratonique stable, relativement subsident au Cambrien, mais peu subsident à l’Ordovicien. Le chantier algérien a permis de reconstruire un profil de dépôt s’étendant sur environ 500 km de longueur, depuis l’Ahnet au sud en situation proximale, à l’Ougarta au nord avec extension jusqu’à l’Anti-Atlas marocain en situation distale, et continûment subsident sur toute la période considérée. En Libye, une série de discordances superposées a été caractérisée sur le revers oriental du Bassin de Murzuq, au droit d’un accident panafricain plusieurs fois réactivé. En Turquie, une synthèse régionale a été proposée mettant en lumière des correspondances entre la stratigraphie du domaine stable (plaque Arabe) et celle de la plaque Turque.
Les mouvements affectant la lithosphère à l’Ordovicien sont mis en relation avec les épisodes extensifs, ou plus probablement transtensifs, qui affectent la marge nord-gondwanienne depuis le Cambrien supérieur. Ils aboutissent à une différentiation des aires de sédimentation sur la plate-forme avec l’individualisation de bassins et à la séparation de quelques blocs continentaux issu du Gondwana et qui constitueront, avec ceux qui ne se détacheront plus tard au Dévonien, les noyaux des déformations varisques en Europe. En dépit de cette activité tectonique affectant essentiellement la marge continentale, la transgression cambro-ordovicienne conduit au premier ordre à l’ennoyage et au nivellement par les sédiments du domaine de plate-forme issu des collisions panafricaines néoprotérozoïques. Ce domaine sédimentaire ne présentera pas de topographies héritées et les glaciers fini-ordoviciens pourront s’y étaler librement, circulant, sauf exception, au toit d’une pile sédimentaire ordovicienne, voire cambrienne pour ce qui concerne les domaines les plus proximaux ou ceux ayant été affectés par des réactivations localisées. Ainsi, les écoulements glaciaires, systématiquement orientés de manière centripète des hautes terres vers la marge continentale ne seront-ils pas confinés, au moins dans ce domaine nord-gondwanien, par des systèmes de rifts ou des zones orogéniques.
— le scénario : calendrier des événements glaciaires
Jusque récemment, la glaciation était le plus souvent considérée comme un accident climatique associé une excursion isotopique majeure mais de courte durée et à une crise de la biodiversité sous la forme d’une extinction en masse. Cependant, plusieurs éléments laissaient planer un doute sur cette datation d’une glaciation limitée à l’Hirnantien et en 2004 je proposai dans le cadre du programme ECLIPSE II un projet de recherche concernant la glaciation ordovicienne. L’un des enjeux majeurs de projet était d’établir le calendrier des événements glaciaires de l’Ordovicien par une analyse séquentielle haute résolution. Les conclusions de ces travaux sont les suivantes : (i) les 9 à 10 millions d’années précédant l’événement glaciaire hirnantien comprennent une succession dont le tempo est dominé par l’empilement de cycles à très haute (<400ka), haute (400 ka) et basse (« 3ème ordre, 1,4-2,7 Ma) fréquences, et dont les amplitudes indiquent une origine glacioeustatique ; (ii) en particulier, trois régressions forcées d’une amplitude supérieure à 40 m ont été caractérisées, qui représentent des événements glaciaires analogues à celui de l’Hirnantien, quoique de moindre ampleur, et avec des fronts glaciaires n’ayant pas, sauf exception, atteint les domaines de bassins sédimentaires ; (iii) la glaciation hirnantienne elle-même ne correspond qu’à une fraction de l’étage hirnantien, avec un Hirnantien inférieur dénué d’activité glaciaire. C’est à cet épisode qu’il faut rattacher l’essentiel des enregistrements glaciaires de l’Ordovicien, témoignant de fronts glaciaires ayant atteints les bassins sédimentaires distribués sur le pourtour du Gondwana occidental (Afrique/ Amérique du Sud). (iv) L’événement glaciaire hirnantien est lui-même subdivisé en deux cycles (stadial ?) séparés par une transgression dite intra-hirnantienne (interstadial ?), le second cycle correspondant au climax de la glaciation ordovicienne. Une calotte polaire occupait donc les hautes latitudes gondwaniennes bien avant, et bien après, l’Hirnantien. Un consensus apparaît alors réconciliant l’idée qu’avaient les « anciens » d’une glaciation longue, avec le concept plus récent d’accident climatique hirnantien. Le débat s’est maintenant déplacé vers la base de la succession stratigraphique avec la question suivante : quand donc a débuté la glaciation ordovicienne ?
— spécificités de l’enregistrement sédimentaire glaciaire
Certaines structures et faciès de dépôt sont caractéristiques de la glaciation et totalement absents des successions pré- et postglaciaires. Il s’agit par exemple des « argiles microconglomératiques à blocaux », correspondant le plus souvent à des diamictites sableuses issus d’une variété d’environnements de dépôt glaciomarins. De même, les faciès à mégarides chevauchantes sont la signature de régimes de crues proglaciaires ou jökulhlaups. La seule présence de l’un ou l’autre de ces faciès permet d’attribuer une origine glaciogénique s.l. à la succession sédimentaire qui les renferme. Tout épisode glaciaire se marque également dans l’enregistrement sédimentaire par des discordances de ravinement à l’échelle des bassins sédimentaires, soit par érosion glaciaire, soit par émersion lors des bas niveaux marins glacioeustatiques. Plus généralement, l’amplification des flux sédimentaires (érosion, transport par les eaux de fontes) et le déport des sources de sédiments vers l’aval par suite de la migration des fronts glaciaires aboutissent à un cortège de structures sédimentaires qui ne sont pas nécessairement en elles-mêmes indicatrices d’environnements glaciaires mais qui traduisent une dynamisation d’ensemble du système sédimentaire.
Quatre spécificités de l’enregistrement glaciaire fini-ordovicien ont fait l’objet d’une attention particulière :
- Les zones de cisaillement sous-glaciaires, ou bandes de cisaillement intraformationnelles, déforment la pile sédimentaire non consolidée sur quelques décimètres à plusieurs mètres sous l’interface glace/ sédiments. Si les stries glaciaires en sont le résultat le plus connu, elles ne constituent pas le seul type de linéation glaciaire. On rencontre aussi des cannelures, des plis d’entraînement et des linéations à grandes échelles (MSGL pour « mega-scale glacial lineation »). Ces structures couvrent de vastes surfaces exhumées par l’érosion et constituent de véritables surfaces glaciaires fossiles. L’allongement des linéations à grande échelle, leur distribution cartographique, et leur association quasi-systématique avec des processus de surpression fluide affectant la pile sédimentaire sous-glaciaire permettent de les mettre en relation avec des systèmes de fleuves de glace.
- Un des éléments glaciogéniques les plus marquants du paysage fini-ordovicien est l’existence de réseaux de paléovallées. Ces paléovallées correspondent à des vallées en tunnel, structures creusées dans les sédiments sous-glaciaires par les eaux de fonte circulant en base de glacier. Ces structures sont caractérisées par l’existence d’une banquette gréseuse d’origine glaciofluviale tapissant le fond de l’incision. L’essentiel du remplissage repose ensuite en biseau d’aggradation sur cette banquette, qu’il déborde fréquemment. Ces vallées en tunnel caractérisent les domaines de marges glaciaires, avec des exutoires marquant les lignes de fronts glaciaires des périodes de retrait. Ces vallées sont de parfaits analogues des structures quaternaires identifiées en subsurface en Mer du Nord, au Danemark ou en Allemagne.
- A l’échelle de la plate-forme, deux éléments dominent dans l’enregistrement sédimentaire fluvioglaciaire : les nappes gréseuses à mégarides chevauchantes, et les structures chenalisantes dites « en cordon » Elles sont toutes deux associées à des régimes de crues fluvioglaciaires. Les mégarides et architectures associées traduisent la migration de trains de dunes dans un régime hydrodynamique inférieur analogue à plus grande échelle des assemblages de rides chevauchantes. La formation de mégarides chevauchantes (CDCS pour climbing-dune cross-stratification) résulte de la combinaison d’écoulements catastrophiques et d’une limitation du stock sédimentaire transporté à la classe granulométrique des sables. Les structures chenalisantes apparaissent en topset de successions deltaïques proglaciaires épaisses d’une centaine de mètres. Dans une logique aggrado-progradante, elles alimentent, via des barres d’embouchures, des clinoformes de pente de delta à angle faible (<1°), construit à partir de la migration de lobes progradants. L’image satellite révèle au moins 3 générations de ceintures de chenaux anastomosées et plus ou moins sinueuses. Etant issus d’une multitude de sources échelonnées le long des fronts glaciaires, ces systèmes fluviatiles ne correspondent pas à proprement parler à des systèmes distributaires. Ils forment une bande de ceintures de chenaux étroite de quelques dizaines de kilomètres entre le front glaciaire et le littoral, et non confinée latéralement. La zone juxtaglaciaire, qui met en connexion ce réseau de chenaux et les sources sous-glaciaires présente de nombreuses analogies avec celle des sandars islandais.
- L’évolution sédimentaire fini- à postglaciaire est organisée en une série d’avancées/ retraits glaciaires, ces derniers de plus en plus marqués. Associées à cette période de déglaciation, des structures thermokarstiques ont été préservées au sein d’environnements fluviatiles à estuariens. Elles trahissent le réchauffement climatique en cours à la fin de l’Hirnantien. Les dépôts ultérieurs constituent un système transgressif avec quelques particularités telles que la présence d’une topographie héritée relativement accidentée, l’installation d’un vaste système à dominante tidale, et le dépôts d’argiles à graptolites riches en matière organique. Un niveau de condensation pendant l’intervalle de temps correspondant au Silurien le plus basal se développe alors que la progradation depuis le sud de la plate-forme silicoclastique a débuté. Les apports sédimentaires corrélatifs permettent le piégeage de cette importante quantité de matière organique plus spécifiquement dans les dépressions résiduelles.
— le maximum glaciaire ordovicien : des glaciers, jusqu’où ?
L’étude des zones périphériques, où chaque avancée glaciaire ne se marque pas nécessairement par une surface d’érosion, a été entreprise dans le double but de caractériser l’extension maximale des glaciers et d’établir la transition avec la plate-forme distale jamais englacée. Des surfaces glaciaires ont ainsi été identifiées en Turquie, au nord du Haut-Atlas (Maroc) et en Espagne. Ces surfaces considérées comme synchrones par suite de leur relation stratigraphique avec les successions de déglaciation et de transgression postglaciaire sus-jacentes sont attribuées au second cycle glaciaire hirnantien. Leur contemporanéité ne peut malheureusement pas être confirmée par la biostratigraphie, qui n’a plus la précision temporelle nécessaire. Elles représentent autant de jalons marquant des fronts glaciaires du maximum hirnantien. Il en est de même des successions glaciaires d’Afrique du Sud et d’Argentine. L’ensemble des régions gondwaniennes où les glaciers ont atteint le niveau marin est circonscrit dans un petit cercle assimilable, à l’Ordovicien, au 45ème parallèle de latitude sud, extension comparable au dernier maximum glaciaire (LGM) du Pléistocène. Quelle était l’extension spatiale de cet inlandsis présent sur le nord-Gondwana ? Si une continuité des fronts glaciaires semble assurée de l’Arabie à la Mauritanie, la jonction avec les fronts sud-américain et sud-africain est plus problématique. Deux reconstructions, l’une dite minimaliste, l’autre maximaliste, sont proposées. L’extension minimaliste envisage un inlandsis nord-gondwanien qui englobait l’actuelle Afrique de l’Ouest, Afrique du Nord et l’Arabie et débordant au sud vers l’Afrique Centrale. Les glaciers méridionaux correspondraient dans ce cas à des calottes autonomes et possiblement adossées à des reliefs. L’extension maximaliste enserre l’ensemble de ces domaines, aboutissant au concept d’un vaste inlandsis installé sur l’ensemble du Gondwana occidental, inlandsis qui serait la plus importante masse de glace constituée durant le Phanérozoïque.
— l’enregistrement sédimentaire « glaciaire » sur la plate-forme distale
L’enregistrement sédimentaire de la glaciation sur la plate-forme distale jamais englacée permet d’étudier une succession stratigraphique potentiellement complète au sein de laquelle les érosions auront été minimales. Par rapport à des enregistrements situés loin des centres de glaciation, par exemple ceux des plates-formes carbonatées inter-tropicales, ces successions intègrent un ou plusieurs horizons glaciomarins permettant de positionner l’évolution stratigraphique dans le calendrier glaciaire. Localisées à proximité de l’ancienne marge continentale, ces successions ont été impliquées dans les collisions varisques ou alpines. La continuité latérale des affleurements a le plus souvent été perdue. Cet enregistrement distal de la glaciation a été étudié au Maroc, en Espagne, en France (massif armoricain, Corse) et en Turquie. Trois successions-types peuvent être discriminées en fonction de leur position sur la marge continentale et par rapport aux fronts glaciaires : successions approchées par les fronts glaciaires à leur maximum d’extension et dominées par les turbidites, successions de la plate-forme externe à dominante glaciomarine restées à l’écart — au-devant, ou latéralement ? — des dépocentres turbiditiques, successions dominées par les tempêtes dans les secteurs à faible bathymétrie soit déconnectés, soit indirectement connectés aux sources clastiques d’origine glaciaire et enregistrant les phases de chutes de niveau marin au sein de faciès littoraux. Des conditions originales y ont localement permis la concentration du manganèse sous la forme d’encroûtements à oxydes ou à carbonates. La sédimentation postglaciaire du Silurien basal voit l’installation de conditions particulière qui conduisent à l’accumulation de lydites, faciès siliceux riches en matière organiques et à radiolaires interprété comme les dépôts de courants de contour sur la plate-forme externe. Ce dernier faciès s’exprime à la faveur d’une condensation sédimentaire drastique par suite du déport des sources sédimentaires loin (> 2000 km) vers le sud.
— stratigraphie séquentielle en contexte glaciaire
Sur un domaine de plate-forme stable, la relative brièveté des épisodes glaciaires ordoviciens fait que l’enregistrement sédimentaire est au premier ordre indépendant des taux de subsidence. La préservation d’un message sédimentaire est permise par l’une ou l’autre, ou la combinaison des situations suivantes : (i) comblement d’une accommodation créée antérieurement à l’épisode glaciaire ; (ii) comblement d’une dépression créée par érosion glaciaire ; (iii) accommodation dégagée pendant la transgression postglaciaire, pour peu que cette dernière ait une amplitude supérieure à la chute glacioeustatique correspondant à l’événement considéré. Au court d’une phase glaciaire, le taux de variation de l’accommodation est contrôlé essentiellement par le glacioeustatisme. Sur les domaines internes plusieurs fois englacés, la répétition des érosions glaciaires aboutit à une imbrication des dépôts de chacune des phases d’avancée/ retrait glaciaire. La cannibalisation des dépôts glaciaires est la règle sur ce domaine de plate-forme cratonique.
La stratigraphie séquentielle s’est typiquement attachée à caractériser des séquences de dépôts contrôlées par les variations de niveau marin relatif, considérant, pour simplifier, constants d’autre paramètres tels que les taux d’apport sédimentaire, les régimes hydrodynamiques... Deux paramètres ne peuvent plus être considérés comme secondaires dans un système glaciaire: d’une part la variation des apports sédimentaires, en quantité et en localisation des sources avec la migration des points d’injection sur des distances de 500 à 2000 km, d’autre part le découplage de l’accommodation vis-à-vis des seules variations de niveau marin relatif par suite de la géométrie accusée des surfaces d’érosion glaciaire à l’origine de topographie antécédentes. En effet, la présence d’un glacier impose à la plate-forme des niveaux de base au comportement inédit : érosions d’ampleurs hectométriques bien en-dessous des niveaux de base non- ou inter-glaciaires ; ou encore capacité d’aggradation fluviale bien au-dessus de ces mêmes niveaux, en particulier pendant des périodes de chutes de niveau marin correspondant à des avancées glaciaires. Le niveau de base sous contrôle glaciaire est donc relativement indépendant d’un niveau de base ajusté aux variations glacioeustatiques, ce dernier restant prédominant dans les domaines sédimentaires côtiers de la plate-forme distale isolés des fronts glaciaires.
Une séquence glaciaire est un volume de sédiment représentant un cycle complet d’avancée/ retrait glaciaire. Elle se connecte vers le bassin sur une séquence de type génétique délimitée par les surfaces d’inondation maximale correspondant aux épisodes interglaciaires qui l’encadrent. Là où l’érosion glaciaire se sera surimposée à la surface d’inondation maximale, c’est la surface glaciaire qui prend valeur de limite de séquence. Une telle séquence glaciaire comble une accommodation initiale antécédente laissée libre par le retrait de l’épisode glaciaire antérieur. Par suite des aggradations fluvioglaciaires forcées par les apports sédimentaires, la surface d’émersion des domaines externes peut ne pas être connectée physiquement à la surface glaciaire qui prend la signification d’une surface de maximum de régression (surface de transgression). Certaines surfaces d’érosion ont été interprétées comme la signature d’un rebond isostatique. Bien qu’une surface d’émersion consécutive à un rebond postglaciaire puisse avoir localement existée, le plus souvent elle a été surimposée par les surfaces de ravinement transgressif.
Avec la prise en compte de régressions forcées pré-hirnantiennes, il apparaît que certaines séquences glaciaires inférieures des successions les plus internes peuvent être plus anciennes que l’Hirnantien, et que leur signature sur la plate-forme distale soit à rechercher plus bas dans l’enregistrement sédimentaire. La répétition d’érosions et de dépôts glaciaires se traduit au final statistiquement le plus souvent par la préservation de deux séquences glaciaires, des séquences antérieures, intermédiaires ou postérieures n’incluant pas de signature glaciogénique ou n’apparaissant préservées que latéralement suite à la juxtaposition des séquences. Ce « doublet glaciaire » n’est pas partout restreint à l’Hirnantien, et finalement, la compilation des enregistrements sédimentaires préservés sur les domaines proximaux, intermédiaires et distaux de la plate-forme nord-gondwanienne montre qu’il est nécessaire de « jouer » avec les éléments suivants : (i) l’Ordovicien supérieur connaît deux séquences glaciaires de premier ordre, la première Katien terminal, la seconde Hirnantien supérieur; (ii) la séquence de premier ordre Hirnantien supérieur est subdivisée en deux séquences glaciaires de second ordre, entre lesquelles est intercalé un interglaciaire — ou maximum d’inondation — dit « intra-Hirnantien »; (iii) chacune des deux séquences de second ordre englobe 2 à 4 séquences de troisième ordre. La nature allocyclique, à contrôle climatique, des séquences glaciaires de premier et second ordres est très probable. La contribution d’un signal autocyclique dans le contrôle des séquences de troisième ordre ne peut pas être exclue. Attribuer une signification en termes d’ordre à une séquence glaciaire nécessite la prise en compte du signal stratigraphique complet offert par la totalité de la pile sédimentaire, non limité à celui inclu dans la succession à caractère glaciogénique.