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L’ère protérozoïque représente une longue période, apparemment 25 % de toute l’histoire géologique. Dans la région des montagnes Rocheuses, au moins 11 300 mètres de sédiments se sont déposés, et dans la région du lac Supérieur, plus de 16 150 mètres de strates et 6 700 mètres de roches volcaniques.
Géosynclinaux du Protérozoïque. — Schuchert a récemment cartographié la plupart des dépôts connus de la fin du Protérozoïque, et ses travaux ont ensuite été confirmés par les plus grands géologues spécialistes de ces formations. Le résultat est présenté sur la carte p. 159. On y constate qu’il existait au Protérozoïque quatre mers : (1) l’Appalachienne, (2) la Cordillère, (3) l’Ontario et (4) l’Arctique. Les formations du géosynclinal des Appalaches ne sont pas abordées dans ce chapitre, car elles sont trop altérées pour que leur nature originelle puisse être déterminée avec certitude. Les dépôts du géosynclinal de l’Ontario sont décrits plus en détail, car ce sont les strates les mieux connues du Protérozoïque, tandis que ceux de la mer Arctique sont mentionnés dans la section consacrée à l’Animikien. Les dépôts du géosynclinal cordillérain sont également abordés plus loin. Parmi ces voies maritimes, seul le géosynclinal de l’Ontario est connu pour avoir été oblitéré par l’orogenèse vers la fin du Protérozoïque. Cette dépression est un prolongement du géosynclinal de Québec décrit précédemment (voir p. 149).
Existait-il des mers épicontinentales au Protérozoïque ? — Les sédiments grossiers, la couleur rouge oxydée et la rareté des fossiles autres que l’algésie dans les formations du Protérozoïque, ainsi que l’abondance des feldspaths, ont depuis longtemps attiré l’attention des géologues, et en particulier de Walcott. Après avoir étudié ces phénomènes, il conclut (1916) que l’ère protérozoïque « était une période de soulèvement continental et de sédimentation principalement terrigène dans des eaux non marines… Des sédiments marins se sont sans aucun doute accumulés dans les eaux bordant les côtes océaniques du continent, mais ils nous sont inconnus… Les fossiles connus… du géosynclinal de la Cordillère vivaient dans des eaux douces ou saumâtres rarement en contact avec des eaux marines », et les récifs d’algues du calcaire de Newland se développaient dans des lacs « d’une superficie de plusieurs milliers de kilomètres carrés ».
Étant donné que des spicules d’éponges siliceuses ont été observés à plusieurs endroits, que des tubes d’annélides sont également présents et que, de plus, les proliférations algales du Cambrien et du Champlainien sont toujours associées à des faunes marines, il semble plus raisonnable de supposer que tous les fossiles protérozoïques retrouvés sont d’origine marine. Concernant l’aspect eau douce de nombreuses formations, il ne faut pas oublier que les terres étaient alors dépourvues de végétation et, par conséquent, [ p. 160 ] de sols. Les granites se [ p. 159 ] sont désagrégés en une arkose qui s’est rapidement oxydée et, sous cette forme, a été déposée dans les géoclinaux d’eau peu profonde. Ainsi, les sédiments du Protérozoïque ne devraient pas toujours être identiques à ceux des périodes ultérieures où la flore et les sols existaient, et pourtant, ceux de la série sudburienne et d’autres strates protérozoïques ressemblent beaucoup à ceux du Paléozoïque. Par ailleurs, les animaux marins ne pouvaient pas, ou du moins n’étaient pas obligés, de se recouvrir d’une armure, et, de ce fait, leurs corps mous ne pouvaient pas se fossiliser
L’Amérique du Nord au Protérozoïque. — D’après la position géographique des premières mers du Paléozoïque sur le continent nord-américain (voir Fig., p. 139), et celles du Protérozoïque tardif également, il est clair que cette masse continentale non seulement présentait déjà une grande partie de sa forme actuelle au début du Protérozoïque, mais qu’elle était alors encore plus étendue. On ignore de combien, mais il est établi qu’elle était alors, et pendant longtemps par la suite, largement reliée par voie terrestre au Groenland et, à l’est, par voie maritime, à la Scandinavie. Apparemment, il y a environ 2 000 ans,000 milles carrés de la Grande Amérique du Nord se sont fragmentés en bassins océaniques à l’époque post-protérozoïque (voir Fig., p. 141).
Les Appalaches frontalières à l’est et la Caseadis à l’ouest se sont également formées au cours du Protérozoïque (voir Fig., p. 139). À la fin de cette ère, les monts Killarney ont émergé du géosynclinal de l’Ontario, divisant le vaste intérieur de l’Amérique du Nord en une plaine septentrionale (Bouclier canadien) et une plaine méridionale (États-Unis et Mexique). Vers la fin du Cambrien, ces montagnes avaient pour la plupart été réduites presque au niveau de la mer, de sorte que pendant le reste du Paléozoïque, tout le Mésozoïque et la majeure partie du Cénozoïque, l’intérieur du continent formait une immense plaine. Au cours du Paléozoïque, cette plaine a été fréquemment traversée, plus ou moins largement, par des mers épicontinentales, et de nouveau à la fin du Mésozoïque. Il ressort de ces observations que la forme en bassin du continent nord-américain s’est établie dès le début du Protérozoïque, mais que la vaste plaine médiane n’a constitué un continuum que vers la fin du Champlainien.
Divisions du Protérozoïque. — Les roches protérozoïques peuvent être regroupées comme suit :
Protérozoïque tardif
- Épiprotérozoïque ou Lipalien Intervalle de pénéplanation
- Révolution de Killamey et formation des montagnes
- Formations volcaniques et continentales de Keweenaws Rupture de la chronologie (série Beltienne)
Protérozoïque moyen
- Sédiments Animikiens-Whitewater avec d’importantes formations de fer Rupture de la chronologie (série Beltienne)
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Série Huronienne
Dépôts marins et d’eau douce de cobalt
- Plus ancien tillite connu et climat glaciaire
- Rupture de la chronologie
Série marine de Bruce (?Seine) (tout ou partie de Grenville pourrait dater de cette époque)
Protérozoïque précoce
- Épi-Algoman Intervalle d’érosion
- Révolution Algoman et formation des montagnes
- Sédiments et volcanites Sudburiens (Doréens ?)
¶ Événements du Protérozoïque précoce
Série Sudburienne. Sur la pénéplaine laurentienne, du lac Huron jusqu’au-delà de Sudbury (Ontario), repose une série plus récente de dépôts marins grossiers, généralement des conglomérats et des grès, contenant de 2 à 13 % de schistes. Ces dépôts sont déformés et métamorphisés, mais moins que les formations de Keewatin-Coutchiching et les formations équivalentes (Fig., p. 162). Le Sudburyien, quant à lui, est totalement dépourvu de matériaux carbonés. Il s’agit souvent d’un sable lavé, à granulométrie assez homogène, provenant apparemment du nord et transporté par de longs fleuves jusqu’à un vaste delta intégré au géosynclinal ontarien.
La partie inférieure du Sudburyien de Coleman, d’épaisseur variable jusqu’à 1500 mètres, présente une composition hétérogène. On y trouve par endroits des arkoses (Copper Cliff), constituées de fragments de granite, atteignant jusqu’à 300 mètres d’épaisseur, et ailleurs, de fines alternances régulières et entrecroisées de grès et de boues contenant des grains de quartz anguleux. Les arkoses et les grauwackes riches en feldspaths sont étroitement associées aux granites lamentiens. Ces arkoses se sont probablement formées sous un climat désertique ou un climat frais et humide, ce dernier étant le plus probable. En règle générale, le Sudburyien repose sur un conglomérat basal qui, à Sudbury, atteint par endroits 1500 mètres d’épaisseur.
Là où le Sudburyien n’est pas recoupé par les éruptions ultérieures, il est peu altéré, si bien que la stratification originelle, la stratification entrecroisée et même les rides de courant sont encore visibles sur les affleurements altérés. Là où il est intrudé par les granites, le Sudburien est fortement métamorphisé. L’ensemble du Sudburien est déformé, incliné ou fortement courbé, avec un pendage moyen de 45°, les strates s’élevant vers les bathylites granitiques d’intrusion postérieure. C’est pourquoi la série sudburienne se distingue nettement du Huronien supérieur, qui est généralement presque horizontal ou légèrement plissé.
Similitude des formations sudburiennes avec celles des ères postérieures. — Étant donné l’ancienneté géologique des [ p. 162 ] dépôts sudburiens, nous partageons l’avis de Coleman : leur aspect apparemment moderne est l’impression la plus surprenante pour l’observateur sur le terrain. Nous en concluons que l’atmosphère, par sa nature et sa composition, devait ressembler à celle des époques postérieures ; l’eau y jouait alors son rôle comme aujourd’hui, et les variations extrêmes de température semblent avoir été normales.
Près du lac Tuniskaming et à la plus grande mine d’or du monde, la mine Holliuger du district de Porcupine, on trouve une série de strates similaires, bien qu’il y ait davantage de conglomérat. La série Pontiac au Québec et le conglomérat Dor4 de la région du lac Supérieur semblent dater de la même époque. Ce dernier est probablement d’origine glaciaire. Toutes ces formations sont également traversées par des granites plus récents. La plupart des sédiments proviennent probablement de mers peu profondes.
La série Hastings dans l’est de l’Ontario, parfois considérée comme une partie moins métamorphisée de la série Grenville, est considérée par Miller et Knight comme l’équivalent de la série Timiskamiug, puisqu’un conglomérat à sa base contient des galets provenant de la série Grenville. La série Hastings contient des calcaires, qui sont rares dans les séries Sudbury et Tuniskaming » (Coleman et Parks, 1922)
Les roches de l’époque sudburienne sont encore inconnues dans d’autres parties de l’Amérique du Nord ou ailleurs.
Granites d’Algoman. — Presque toutes les formations sudburiennes sont intrudées, déformées et métamorphisées par des granites nommés Algoman par Lawson. Ils ressemblent tellement aux granites laurentiens qu’il est souvent très difficile de distinguer les deux ensembles d’intrusions profondes. En fait, les plus récents n’ont été identifiés que dans quelques localités et tous étaient autrefois appelés laurentiens. Les deux types d’intrusions ont formé des montagnes bathylithiques.
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¶ Protérozoïque moyen
Série huronienne. — Le « système huronien » original de Logan a fait l’objet de nombreuses recherches depuis ses travaux dans les années 1860 et 1870, en raison de l’essor récent des industries minières au Canada. Collins divise le Huronien en deux séries : la série Bruce inférieure et la série Cobalt supérieure.
La série Bruce est principalement d’origine marine et débute par 300 à 600 mètres de quartzite conglomératique blanc, suivis de calcaire, de grauwacke et de nouveau de quartzite. L’épaisseur totale de la série Bruce est d’environ 900 mètres. Finalement, la mer se retire, laissant place à une longue période d’érosion et d’émersion.
La série Cobalt a pour formation la plus ancienne un conglomérat boulder connu sous le nom de tillite Cobalt, le plus ancien dépôt glaciaire connu ; il sera abordé plus loin dans ce chapitre. Cette tillite est surmontée de 180 à 240 mètres de quartzite blanc, d’environ 900 mètres de conglomérat schisteux, puis de plusieurs centaines de mètres de quartzite rouge ou blanc avec un conglomérat de jaspe remarquable. Viennent ensuite 60 mètres de calcaire siliceux et 120 mètres de quartzite blanc. L’épaisseur totale de la série dépasse probablement 3 650 mètres dans la région au nord du lac Huron (Coleman et Parks).
Dans la région de Rainy Lake, au nord du Minnesota, la série Steeprock présente un calcaire bleu-gris pouvant atteindre 150 mètres d’épaisseur, riche en masses globulaires qui pourraient être des éponges. Ces fossiles sont illustrés dans la figure ci-dessus.
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Série Animikienne ou Grande Série Ferreuse. — Les formations de l’Animikien sont largement répandues sur le Bouclier canadien, les mers d’Ontario et de l’Arctique, probablement après avoir transgressé les roches plus anciennes. La plupart des dépôts sont d’origine marine, bien que certains semblent être de nature continentale. Cependant, les formations animikiennes ne sont plus présentes sur l’ensemble du Bouclier. Au contraire, elles sont largement isolées et semblent être principalement des vestiges préservés de l’érosion dans les bassins affaissés ou légèrement déformés des roches plus anciennes.
Les strates animikiennes sont généralement quasi horizontales et très peu métamorphisées, mais dans d’autres régions, elles sont plissées en grands anticlinaux et dsynclinaux. Dans la région de Penokee, au Michigan, les formations qui subsistent après leur longue exposition à l’érosion atteignent encore 4 267 mètres d’épaisseur, tandis qu’ailleurs, elles sont généralement réduites à une épaisseur maximale d’environ 1 829 mètres.
Les très épais dépôts carbonés de l’Animikien marquent clairement le début effectif de l’oxygène dans l’atmosphère, et la couleur rouge d’une grande partie des sédiments du Keweenawan et de certains sédiments de l’Animikien peut indiquer une augmentation de l’oxygène libre au point où il est devenu un stimulant énorme pour la propagation et l’évolution rapide du règne animal.
Les dépôts de l’Animikien pourraient débuter par un conglomérat basal de galets de schiste du Keweenaw et de gneiss laurentien. Cette formation évolue vers du chert ou du jaspe, parfois rubané ou oolithique, ou encore vers des bancs de calcaire impur ou de dolomie mêlés de chert. Plus haut dans la série, on trouve d’importantes épaisseurs d’ardoise carbonée finement laminée, avec de grandes concrétions de marcasite. On a calculé que si tout le carbone contenu dans ces argilites (6 à 10 %) était concentré, on obtiendrait un banc d’anthracite de 60 mètres d’épaisseur. Le grès est également abondant. Près de Port Arthur, l’Animikien est recoupé par des filons-couches et des dykes de diabase ou de trapp d’âge keweenawien, dont l’épaisseur varie de quelques centimètres à plus de 60 mètres. Près de Sudbury, on observe des tufs interstratifiés sur une profondeur de 1160 mètres. Au nord du lac Huron (Thessalon), les strates de l’Animikie semblent être d’origine continentale.
« Les vastes mers peu profondes de l’Animikie », explique Coleman, « présentaient une caractéristique rarement reproduite à la même échelle par la suite : le dépôt de composés de fer associés à de la silice. Dans presque toutes les zones de l’Animikie, on trouve une formation de fer [atteignant par endroits 300 mètres d’épaisseur], composée de carbonate ferrugineux siliceux, de greenalite oolithique ou de jaspe… comme stade initial, à partir duquel se forment, par des causes secondaires, des gisements de minerai de taille variable, culminant dans les immenses [ p. 165 ] et riches gisements du Mesabi, au sud-ouest du bouclier du Minnesota. » D’autres grands gisements se trouvent dans la région de Penokee-Gogebic, à cheval sur le Wisconsin et le Michigan, et dans la région de Menominee, située principalement dans ce dernier État.
En 1916, la production de minerai de fer aux États-Unis s’élevait à environ 75 millions de tonnes. À la mine, ce minerai valait en moyenne 2,34 dollars la tonne. La région du lac Supérieur fournissait près de 85 % du fer extrait aux États-Unis, et environ 8 % provenaient de Birmingham, en Alabama. La région des Adirondacks arrivait en troisième position en termes de volume de fer extrait.
Mines de fer du lac Supérieur. Les minerais d’hématite présents le long des rives sud et ouest du lac Supérieur, dans les formations archéozoïques et protérozoïques, proviennent principalement (70 %) de la série animikienne. La plupart des minerais les plus riches se trouvent près de la surface et jusqu’à 300 mètres de profondeur. À l’origine, la formation de fer contenait environ 25 % de fer métallique, mais celui-ci s’est concentré par endroits, et dans les zones qui constituent les zones minières actuelles, la teneur en fer dans les minerais extraits atteint environ 59 %. Le gisement de Marquette, au Michigan, a été ouvert en 1849, et celui d’Alesabi en 1892. En 1920, le Minnesota a produit 40 millions de tonnes longues et le Michigan environ 19 millions, soit environ 85 % de la production totale de minerai de fer extraite cette année-là aux États-Unis. Compte tenu de l’exploitation à grande échelle de ces riches mines, elles seront épuisées au cours de la génération actuelle. De vastes gisements de moindre teneur existent. Il reste cependant des minerais qui seront progressivement exploités économiquement, mais leur plus faible teneur en métal entraînera, de ce fait, un prix du fer plus élevé. Les riches minerais utilisés par la génération actuelle ont largement contribué à la grande expansion industrielle que connaissent actuellement les États-Unis et le Canada.
Dans la partie sud de la baie d’Hudson, E.S. Moore (1918) a décrit en détail la série ferrifère des îles Belcher, qui atteint près de 3 000 mètres d’épaisseur. Les formations sont composées de grès (42 %), de calcaires et de dolomies (34 %), d’ardoises rubanées (14 %), de strates de fer (5 %) et de diabase-basalte (5 %). L’une des caractéristiques les plus intéressantes est une zone épaisse (130 mètres) de calcaire concrétionné, les dépôts de calcaire bleu-vert. Ces masses sphériques et subsphériques peuvent atteindre 38 centimètres de diamètre et évoquent des fossiles protérozoïques similaires à ceux décrits comme Newlandia. et Collenia (Fig., pp. 176, 177). On y trouve également beaucoup d’oolite, et apparemment certaines algues unicellulaires microscopiques préservées. Moore suggère « que les algues et les bactéries ferreuses sont responsables de la précipitation de silice colloïdale, d’hématite et de silicate de fer sous cette forme granulaire, soit par précipitation directe [en fines bandes] sur le fond du bassin, soit par remplacement des granules de calcite par les composés de fer ».
Série Llano du Texas. — Au centre du Texas, la croûte terrestre est bombée, ce qui a amené à la surface, par une érosion profonde, une ancienne série de formations. Celles-ci ont une épaisseur de plusieurs milliers de pieds et sont constituées d’alternances de schiste, de schiste sableux, de grès, de calcaire et de schistes. Elles sont orientées est-ouest et leur pendage général est vers le sud. Par endroits, ces strates sont peu métamorphisées et, ailleurs, transformées en schistes, marbres et gneiss, principalement en raison d’un métamorphisme gaussien. à deux séries de bathylithes granitiques. Ces intrusions étaient d’une grande ampleur.
Après le dépôt des strates de Llano et des intrusions granitiques, toute la région centrale du Texas s’est plissée en montagnes orientées est-ouest. S’en est suivie une longue période d’érosion et de pénéplanation complète avant [ p. 166 ] que la mer du Cambrien supérieur ne recouvre les bases de ces montagnes. Ce mouvement est appelé l’orogenèse d’Uano, mais l’étendue complète des montagnes reste encore inconnue.
La série de Llano serait d’âge comparable à celle du Grand Canyon en Arizona (voir p. 167).
¶ Protérozoïque tardif des Cordillères
Série Beltienne. — Les formations protérozoïques les mieux connues et les plus épaisses de l’ouest de l’Amérique du Nord se trouvent dans l’ouest du Montana, l’est de l’Idaho et la Colombie-Britannique, jusqu’à au moins 54° de latitude nord (voir Mg., ci-dessus). Plus de 11 300 mètres de sédiments, principalement des grès et des schistes, affleurent dans les coupes combinées. Dans la chaîne Cabinet, au Montana, l’épaisseur est d’environ 10 700 mètres (Calkins). Une caractéristique marquante de ces formations beltiennes des Cordillères, selon Lindgren, est la faible quantité de matériaux ignés. Des intrusions de diabase d’une grande étendue sont connues, et il est probable qu’il existe également des coulées de basalte. Au nord de la frontière internationale, cependant, de vastes nappes intrusives sont attribuées au Protérozoïque.
Le Cambrien recouvre les strates protérozoïques du Montana et de la Colombie-Britannique avec une apparente concordance. Pourtant, l’érosion pourrait avoir localement érodé jusqu’à 4 877 mètres (16 000 pieds) avant le chevauchement mentionné (voir figure ci-dessous). Dans la partie inférieure de ces sections, on trouve trois grands calcaires, purs et impurs, dont l’épaisseur varie entre 610 et 1 220 mètres (2 000 et 4 500 pieds). C’est dans ces zones calcaires que prolifèrent les algues sécrétrices de calcaire. La majeure partie des sédiments est cependant composée de grès, et il est significatif qu’au-dessus de la partie basale, une grande partie soit de couleur rouge, marquée de rides et craquelée par le soleil. À mesure que la partie clastique s’épaissit vers l’ouest au détriment du calcaire, on constate que c’est de cette direction que proviennent la plupart des sédiments. Il semblerait donc que les sédiments les plus anciens soient d’origine marine, tandis que les formations plus récentes sont soit des dépôts deltaïques, soit des dépôts continentaux de climat semi-aride.
Dans le Grand Canyon, en Arizona, se trouvent les formations de Chuar et d’Unkar, dont l’épaisseur, résiduelle après une érosion inconnue, atteint près de 3 658 mètres [ p. 168 ] (12 000 pieds). Ces formations sont principalement composées de grès, tandis que le calcaire n’y atteint que 133 mètres (435 pieds), et ce, près de la base. Les sédiments sont d’abord d’origine marine, mais passent rapidement à des dépôts continentaux (voir figure ci-dessous). Ces formations reposent sur la surface pénéplaine des strates archéozoïques (Vishnu) fortement déformées.
Révolution du Grand Canyon. — Après le dépôt des formations du Grand Canyon, et bien avant le Paléozoïque, les strates se sont fragmentées en de nombreux blocs, s’affaissant par failles dans les masses archéozoïques, puis s’élevant pour former un système montagneux semblable aux chaînes actuelles du Grand Bassin. Cette orogenèse est connue sous le nom de Révolution du Grand Canyon. Toutes ces formations ont été érodées jusqu’au niveau de la mer avant le début de l’ère paléozoïque, car les strates horizontales cambriennes reposent sur les formations plus anciennes, constituées de pénéplaines. Autrement dit, après le dépôt de ces sédiments protérozoïques, les roches du plateau du Colorado ont subi de profondes failles en blocs, se sont inclinées vers l’est et ont été surélevées pour former une structure monoclinale. Les montagnes qui en ont résulté étaient vraisemblablement élevées. On ignore combien de temps il a fallu pour que ce haut plateau atteigne le niveau de la mer, mais la pénéplaine érodée est indiquée par une forte concordance.
[ p. 169 ]
¶ Protérozoïque tardif du lac Supérieur
Keweenawan inférieur. — La division des roches du Keweenawan a été introduite par T. B. Brooks en 1876 et comprend les strates les plus récentes du Protérozoïque. Elles sont toutes d’origine continentale et d’accumulation rapide. Les géologues s’accordent à dire qu’il existe une rupture nette dans la séquence stratigraphique entre les formations de l’Animikien et celles du Keweenawan. De plus, les sédiments du premier sont d’origine marine, tandis que ceux du second sont considérés comme d’origine continentale. Certains géologues estiment que le Keweenawan devrait être rattaché au Paléozoïque, mais depuis l’étude de Walcott, l’opinion générale est qu’il devrait être considéré comme la dernière période de l’ère Protérozoïque, une opinion que l’on retrouve dans cet ouvrage. Le Keweenawan est caractérisé par des dépôts extrêmement épais, tant de sédiments que de laves, l’activité ignée étant plus intense dans ses parties moyenne et supérieure.
À la base, du Wisconsin vers l’est, on trouve des conglomérats, des grès rouges et blancs grossiers, bien stratifiés, intercalés avec d’autres conglomérats, de minces bancs de calcaires impurs de couleurs variées et des roches schisteuses, l’ensemble ayant une épaisseur de 90 à 425 mètres. Ces formations sont également traversées par des dykes et des filons-couches de diabase ou de trapp du Keweenawan supérieur. Les sédiments proviennent en grande partie des granites laurentiens, mais on y trouve aussi des galets de jaspe rouge issus des formations de fer. Les rides de courant sont fréquentes, les grès sont souvent feldspathiques et pourraient être qualifiés d’arkoses, et les schistes présentent des fentes de dessiccation, autant d’indices d’une origine continentale. De plus, la couleur dominante est le rouge, comme celle du Trias de la vallée du Connecticut, ce qui suggère des conditions semi-arides et une oxydation complète ; l’absence de lits carbonés contraste également de façon frappante avec les conditions observées dans les sédiments de l’Animikien.
Volcanites du Keweenawan supérieur. La fin du Protérozoïque est marquée, dans la région du lac Supérieur et ailleurs, par un important déversement de matériaux volcaniques sur la terre ferme, probablement non pas par des volcans, mais plutôt par des fissures. La majeure partie de cette formation, selon Coleman, « est constituée de coulées de lave basiques, appelées tantôt trapps, tantôt diabases, tantôt mélaphures, certaines étant en réalité des basaltes, mais on trouve aussi des coulées plus acides [feldspathiques], appelées porphyres et felsites, qui sont en réalité des rhyolites. Des roches cendres et des lapilli sont présents en quantités importantes entre les coulées de lave, et les conglomérats et grès [et les schistes argileux en moindre quantité] sont composés de matériaux presque contemporains, notamment de fragments de rhyolites et de porphyres. »
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Une des séries de laves les plus épaisses connues du côté canadien du lac Supérieur se trouve sur l’île Michipicoten, où une section a été mesurée à 3 423 mètres d’épaisseur, dont seule une petite partie est constituée de sédiments. Dans le nord du Wisconsin et du Michigan, Van Hise et Leith estiment l’épaisseur maximale de leur Keweenawan moyen (après avoir pris en compte la pente initiale lors de l’accumulation) à plus de 9 144 mètres. De cette épaisseur, les cinq huitièmes à huit neuvièmes sont composés de matériaux ignés, le reste étant constitué de conglomérats et de grès rouges d’origine volcanique.
Au-dessus du « Keweenawan moyen » du Wisconsin et du Michigan se trouve le « Keweenawan supérieur » local, composé de conglomérats (de 244 à 1 219 mètres), de grès (de 4 567 mètres) et de schistes argileux (de 30 à 122 mètres), atteignant une épaisseur totale d’environ 6 108 mètres. Cependant, tous ces matériaux sont des débris provenant de la formation ignée de Keweenawan et ne témoignent pas d’une longue période d’érosion, en raison de la nature tendre des roches volcaniques et de la topographie élevée et accidentée du champ de lave.
Le volume de matériaux ignés extrudés (estimé à 24 000 milles cubes) s’est accumulé dans un champ d’affaissement, donnant ainsi naissance au bassin géosyndinal du lac Supérieur, presque dépourvu de plis secondaires. Autrement dit, la remontée des matériaux en fusion à la surface a permis à la formation supérieure de s’enfoncer. Ailleurs, cependant, les roches du Keweenaw restent presque horizontales et leur aspect général n’est pas sans rappeler celui de formations paléozoïques similaires, bien que la présence de failles en blocs y soit fréquente.
Métaux du Haut-Kewéenaw. — D’un point de vue humain et économique, l’apparition des laves du Keweenaw a été l’un des événements les plus importants de l’histoire précambrienne du Bouclier canadien, car la plupart des gisements de minerais précieux de la région, à ce jour, sont liés à l’activité ignée de cette période. À Thunder Bay, les minerais d’argent de Silver Islet et d’autres mines étaient alimentés par les dykes et filons-couches de diabase de Keweenaw, en Ontario, et ont produit en 1913 plus de 36 millions de dollars d’argent. Les mines de cuivre natif exceptionnelles du Michigan se trouvent dans les amygdaloïdes et les conglomérats de la péninsule de Keweenaw. Des minerais de cuivre natif similaires, peut-être à plus grande échelle, existent dans la vaste zone d’amygdaloïdes à l’est du Grand lac de l’Ours et près de la rivière Coppeimine, à l’extrême nord du Bouclier canadien.
Le minerai de cuivre natif à faible teneur du Michigan a été découvert par Douglas Houghton en 1830, bien qu’il ait été exploité bien avant par les Amérindiens. La zone où il se trouve s’étend sur 113 kilomètres de long et de 5 à 10 kilomètres de large. Les célèbres mines de Calumet et de Hecla ont été ouvertes en 1846, et l’année suivante, le Michigan [ p. 171 ] a produit 239 tonnes de cuivre. En 1916, lorsqu’il a atteint sa production TnaxiTTnntr), le rendement était de 135 000 tonnes, d’une valeur de 66 300 000 $. La production totale jusqu’à la fin de 1922 s’élevait à 3 500 000 tonnes de cuivre, un chiffre seulement dépassé depuis par celui de Butte, dans le Montana.
Les gisements de nickel et de cuivre de Sudbury (Ontario), qui comprennent plusieurs des plus grandes mines de nickel au monde, sont associés à une couche de norite-micropegmatite probablement d’âge keweenawien. Miller a conclu que les veines d’argent exceptionnellement riches de Cobalt proviennent d’un important filon-couche de diabase qui a remonté dans le conglomérat de Cobalt à cette époque.
Les éruptions keweenawiennes semblent avoir apporté avec elles du cuivre, du nickel et de l’argent en grandes quantités, ainsi que du cobalt, de l’or, du platine et du palladium en quantités bien moindres. Si l’on exclut les mines de fer, la quasi-totalité des gisements métallifères de la marge sud du Bouclier canadien résulte de la formation de ses dykes, nappes ou coulées de lave (Coleman).
Lindgren précise que l’or et l’argent sont extraits, dans l’est de l’Amérique du Nord et du Sud, principalement de roches archéozoïques et protérozoïques. Presque tous les gisements filoniens primaires d’or et d’argent se sont formés pendant ou peu après des épisodes d’activité volcanique ou intrusive. L’or est le métal principal et est toujours associé à une gangue de quartz.
Révolution de Killarney. — Collins (1922) a démontré que toute la zone du géosynclinal de l’Ontario, depuis au moins Sudby (Ontario) jusqu’au sud du Wisconsin, a été plissée et injectée par des bathylithes granitiques, formant ainsi les fontaines de Killarney. Celles-ci sont connues depuis longtemps sous le nom de « montagnes perdues du Wisconsin », et Lawrence Martin pense qu’elles atteignaient peut-être à l’origine la hauteur des Alpes actuelles. On sait que les monts Killarney s’étendaient sur au moins 1 600 kilomètres (1 000 miles) en direction nord-est, du sud-ouest du Minnesota (Sioux Falls) jusqu’au-delà du lac Huron (voir carte, p. 193).
¶ Climats du Protérozoïque
Tillites de l’Huronien. — L’une des découvertes les plus surprenantes de ces dernières années en géologie a été la mise au jour par Coleman de tillites (dépôts morainiques de till glaciaire ou d’argile calcaire, durcie en pierre, voir Partie I, p. 144, et Partie II, Fig., p. 173) dans les formations huroniennes du Canada, et la confirmation de l’existence d’un dimate glaciaire à une époque aussi reculée de l’histoire de la Terre. Sur la vaste pénéplaine laurentienne décrite précédemment, on trouve, dans la région au nord du lac Huron, un conglomérat basal qui comprend souvent des argiles calcaires facettées et striées [ p. 172 ] de diverses natures. Sur les tillites se trouvent localement d’épaisses zones d’ardoise rubanée (varvée) et de conglomérats et quartzites d’origine hydrothermale. (Voir la carte ci-dessous pour la répartition.)
L’épaisseur totale des couches glaciaires ne dépasse généralement pas 150 à 180 mètres, soit légèrement plus que l’épaisseur des couches glaciaires et interglaciaires du Pléistocène récent à Toronto. Cette tillite huronienne est connue pour couvrir une superficie de 1 600 kilomètres d’ouest en est et de 320 kilomètres du nord au sud, jusqu’à 46° de latitude nord, et repose sur une surface quasi plane qui se situe encore à une altitude relativement basse. Elle provient d’une calotte glaciaire continentale qui a déposé ses roches et ses sédiments sur le sol.
Des conglomérats de granite et de pierre verte d’un diamètre allant jusqu’à 60 à 90 cm sont courants, et on rencontre parfois des conglomérats plus grands, mesurant jusqu’à 1,50 m. Ces conglomérats peuvent être bien grumeleux, subanguleux ou anguleux. Ils peuvent être compactés en une masse de pierres de différentes tailles cimentées ensemble, ou bien dispersés dans une matrice à grain fin, les granites rouges se détachant nettement sur des mètres carrés de sol gris verdâtre terne. Généralement, aucune stratification marquée n’est visible dans les conglomérats les plus grossiers, bien que les conglomérats à galets et les ardoises associés puissent être bien stratifiés. La matrice et les conglomérats qu’ils contiennent varient considérablement d’un endroit à l’autre, correspondant plus ou moins à la nature des roches sous-jacentes ; la roche évoque fortement une moraine glaciaire dans certains cas et une argile à conglomérats dans d’autres. (Coleman.)
Au sommet de la série protérozoïque des monts Wasatch, dans l’Utah, Hintze et Calkins (1920) signalent une tillite de couleur vert bleuâtre, à grain fin, avec des cailloux épars pouvant atteindre 15 cm [ p. 174 ] de diamètre, dont certains [ p. 173 ] sont facettés, et des blocs erratiques pouvant peser jusqu’à une tonne, composés à 1 % de quartzite, de calcaire et de granite. Apparemment, aucune pierre striée n’a été observée.
Autres tillites protérozoïques. — Des tillites d’âge protérozoïque, avérées ou probables, sont aujourd’hui connues dans de nombreux pays : notamment en Norvège, en Chine, en Inde et en Australie, et probablement en Afrique. Elles sont d’âges variés, certaines datant de la fin du Protérozoïque et d’autres plus anciennes (voir Fig., p. 172).
On a souvent affirmé que le Cambrien avait débuté sous un climat glaciaire, mais dans tous les endroits où des tillites sont connues en association avec des strates de cet âge, il n’a pas encore été démontré que celles-ci fassent effectivement partie du Cambrien. À certains endroits, les tillites reposent en discordance sur des strates cambriennes fossilifères, et à d’autres, aucune strate fossilifère ne les accompagne. Il n’est donc pas encore établi que ces tillites datent du Cambrien, et nous préférons, pour le moment, les rattacher au Protérozoïque. Ce sont les tillites d’Australie, de Norvège et de Chine.
Une série de tillites caractéristiques, suivies d’ardoises à bandes saisonnières, est présente dans le sud de l’Australie. Selon Howchin, leur épaisseur varie entre 180 et 450 mètres. Ces schistes se situent juste sous des strates fossilifères du Cambrien inférieur, et les tillites sont également rattachées à cette période. Sous les tillites, la coupe stratigraphique se poursuit sans interruption sur plusieurs dizaines de milliers de mètres, et est totalement dépourvue de fossiles. Puisque la coupe devient discontinue vers le bas, et qu’il n’a pas été démontré que les tillites se prolongent dans le Cambrien inférieur, nous estimons qu’il est préférable de rattacher les tillites et toutes les strates grossières sous-jacentes au Protérozoïque. Andrews a récemment démontré (1922) qu’au moins celles de la région de Broken Hill datent du Protérozoïque précoce. D’
autres tillites du nord de la Norvège ont été décrites par Reusch dès 1891 et ont récemment fait l’objet d’une nouvelle étude par Holtedahl (1922). Ces grès se situent sous les grès du Cambrien inférieur contenant la faune d’Holmia et marquent la fin des grès à sparagmites (à feldspath). Ces derniers atteignent par endroits une épaisseur de 1 980 mètres et sont souvent comparés aux grès torridoniens d’Écosse. Cette dernière série se trouve au sommet du Protérozoïque et contiendrait également des tillites, ou serait issue d’un désert subtropical soumis à des tempêtes de verglas. Sous les sparagmites norvégiennes se trouvent les grès de Trysil ou de Dala, datés du Protérozoïque. Le 21 avril 1921, Holtedahl écrit : « Il est désormais prouvé que des mouvements de déformation ont eu lieu pendant et après la période de dépôt des tillites, et avant l’apparition d’Holmia. Les Norvégiens pensent que les tillites et les sparagmites datent du Cambrien inférieur et constituent une transition avec celui-ci. » Cela est possible, mais en attendant d’être prouvé, nous préférons les considérer comme datant du Protérozoïque tardif. La tillite est composée de blocs erratiques, souvent de grande taille, de granite, de diabase, de gneiss, de quartzite, de grès et de calcaire. À ce jour, aucune trace de strie glaciaire n’a été découverte. Les tillites caractéristiques de l’Arctique norvégien, autrefois attribuées au Cambrien ou au Protérozoïque, se sont récemment révélées, à Holtedahl, d’âge champlainien ou silurien. D’
autres tillites protérozoïques sont connues dans la péninsule indienne. On en trouve également dans l’Himalaya, dans la partie supérieure de l’épais système vindhyen. Dans la région de Simla, également himalayenne, se trouve [ p. 175 ] une autre épaisse série de strates protérozoïques. Dans sa partie inférieure, la série de Blaini, on observe un lit de blocs erratiques composés de pierres arrondies et anguleuses, dont certaines sont facettées et striées par l’action des glaces, liées entre elles par une schiste à grain fin. Les structures en forme de boule suggèrent une origine liée à la glace flottante ou à la fonte d’icebergs qui les déposent sur les fonds vaseux. Une épaisse masse d’ardoises carbonées, la série Infra-Ivrol (Wadia 1919), surplombe le lit de ces structures. H.H. Hayden compare le lit de structures en forme de boule de Blaini aux tillites du Talchir (Permien).
En Chine, dans les provinces du cours moyen du Yangtsé, Willis et Blackwelder ont découvert des tillites caractéristiques dont l’âge exact reste à déterminer.
On trouve également des tillites dans la série de Griqua Town en Afrique du Sud. Dans le district de Hay, il s’agit de « galets et de boules striés et aplatis ». Rogers les attribue à des stries glaciaires. Selon Du Toit, des tillites du même âge (Protérozoïque) sont présentes au Namaqualand et au Transvaal. D’autres tillites, apparemment d’une autre période du Protérozoïque, se trouvent dans le pays CJongo.
Conclusions sur le climat précambrien : L’épaisseur importante des séries calcaires archéozoïques et protérozoïques suggère qu’au moment de leur formation, le climat était au moins tempéré. De plus, les nombreuses zones de concrétions algales, dont certaines sont de véritables récifs calcaires, témoignent également d’eaux chaudes. Au Protérozoïque, l’important dépôt de fer confirme aussi des climats doux. On peut donc conclure qu’à cette époque très reculée de l’histoire de la Terre, les climats géologiques étaient globalement de même nature que ceux qu’ils ont toujours été. Autrement dit, les données indiquent que, pendant de longues périodes, la température de l’air et de l’eau était douce et relativement uniforme à l’échelle mondiale, mais que, de façon plus ou moins irrégulière, des climats froids, de courte durée à l’échelle géologique, se sont développés. Ces périodes de baisse des températures semblent coïncider avec le début ou la fin des ères et des périodes où les terres émergées étaient les plus vastes et les plus élevées.
¶ La vie au Protérozoïque
Il n’y a pas si longtemps, on pensait que les strates du Protérozoïque étaient dépourvues de fossiles identifiables, mais au cours des vingt-cinq dernières années, Walcott en a décrit provenant de divers endroits et Cayeux a mis au jour des radiolaires (Fig., p. 70), des spicules des quatre ordres d’éponges siliceuses et peut-être des foraminifères (Fig., p. 68) en Bretagne. Près du sommet de la série du Grand Canyon, Walcott a également trouvé dans des calcaires (Chuar) une abondance de spicules d’éponges siliceuses. Une recherche minutieuse parmi les silex du Protérozoïque en révélerait probablement davantage, et une étude des calcaires pourrait sans aucun doute fournir des foraminifères et peut-être d’autres micro-organismes.
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Les fossiles les plus abondants des calcaires protérozoïques sont les sécrétions d’algues calcaires communément appelées Cryptozoon (Fig., pp. 176-177). Ces masses végétales coralliennes forment des lits entiers qui se répètent inlassablement sur des milliers de mètres de calcaire. Moore (voir p. 165) a décrit de grandes quantités de ces algues comme étant communes aux strates de fer de la baie d’Hudson, et Grout et Twenhofel ont fait de même pour les strates similaires du Minnesota et du Michigan.
Walcott a montré que certaines formations calcaires protérozoïques (beltiennes) regorgent de diverses sécrétions stratifiées dues aux processus physiologiques des cyanobactéries. Il les décrit dans six nouveaux genres et dix espèces. La plupart d’entre elles sont présentes en abondance dans le calcaire de Newland, au Montana, sur une épaisseur de 600 mètres. Plus haut encore se trouvent les schistes de Greyson, épais de 914 mètres, contenant des annélides marins, mais dépourvus d’algues. Encore plus haut, on trouve les schistes de Spokane, épais de 457 mètres, où, là encore, dans une zone épaisse, les algues abondent. On peut donc affirmer avec certitude que les strates du Protérozoïque regorgent de fossiles, mais pas sous les formes que l’on attendrait des formations paléozoïques. Il s’agit plutôt d’un monde végétal primitif, qui a laissé des structures inorganiques dont on ne peut aujourd’hui apprendre que très peu de choses sur les organismes originaux à l’origine de leur formation
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2 350 mètres sous la surface de la coupe (Fig., p. 178). Ces fossiles figurent parmi les plus jeunes connus du Protérozoïque et, bien qu’il ne s’agisse que de tubes et de traces, ils semblent indiquer la présence d’annélides libres (errants), une classe d’invertébrés marins situés en haut de l’échelle de l’évolution organique. Il est également intéressant de noter que Walcott a découvert au Montana des Micrococcus, un des « types immortels », une forme apparentée à Nitrosococcus, qui existe encore aujourd’hui. D’autres fossiles ont également été découverts, mais leur nature est trop obscure pour établir leur lien de parenté avec les organismes connus.
Ces données montrent que la vie était abondante au début du Protérozoïque et qu’elle était principalement composée d’algues marines. Plus tard, au Protérozoïque, on trouve des protozoaires (Radiolaria), des annélides et divers types de spicules d’éponges siliceuses. La nature des faunes cambriennes laisse supposer la présence de trilobites.Cela signifie que la plupart des classes d’organismes invertébrés existaient déjà à l’ère protérozoïque.
L’absence apparente d’animaux sécrétant du calcaire au Protérozoïque a été expliquée par Daly et Lane comme étant probablement due à une carence en sels calcaires dans les océans et les mers de cette époque reculée. Autrement dit, même si d’immenses [ p. 178 ] formations calcaires se sont formées, il n’y avait pas de calcaire disponible pour la formation de squelettes organiques, et donc aucune structure susceptible de se fossiliser. Daly a suggéré que la faible quantité de calcaire alors apportée par les fleuves aux mers s’est rapidement précipitée par la décomposition continue des organismes, puisqu’il n’y avait pas d’animaux benthiques ou nécrophages pour consommer la matière organique morte. Les importants dépôts d’algues calcaires du Protérozoïque ne sont pas des squelettes, mais des sécrétions involontaires dues aux processus métaboliques de ces plantes. Il semble plus probable que les eaux marines de cette époque ancienne aient eu une salinité différente et qu’elles aient été dépourvues du cycle de renouvellement de la matière organique entre les animaux, comme le soutenaient Daly et Lane. Cette différence aurait engendré des processus physiologiques distincts chez les organismes, empêchant les invertébrés d’utiliser la chaux dans leur squelette.
¶ Lecture complémentaire
R. S. Dalt, « The Limeless Ocean of Pre-Cambrian Time », American Journal of Science, 4e série, vol. 23, 1907, p. 93-115.