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Transformation de mudstone en schiste

Les fossiles des schistes de Burgess sont conservés dans un type de roche sédimentaire appelé schiste. Le schiste est un type de « mudstone » (pélite) issu de dépôts de fines particules de boue, principalement composées de minéraux argileux. Les différentes couches fossilifères des schistes de Burgess correspondent à différents dépôts de boue qui se sont superposés en couches (ou strates) horizontales d'une épaisseur allant de quelques millimètres à plusieurs centimètres. Ces strates restent encore visibles dans les schistes de Burgess à l'heure actuelle.

Photographie montrant des strates rocheuses

Strates de la couche à phyllopodes, dans la carrière Walcott, montrant l'empilement de dépôts de boue, transformés depuis en schiste. Les différences de teintes entre les strates s'accentuent avec l'altération météorique.

© Musée royal de l'Ontario. Photo : Desmond Collins.

Les sédiments boueux des fonds marins se transforment en schiste (lithification) sous l'effet de hausses de température et de pression se produisant au cours de leur histoire géologique. Les mudstones des schistes de Burgess ont été exposés à des températures et à des pressions encore plus fortes au cours de la formation des montagnes Rocheuses.

Photomicrographie montrant la variation des strates rocheuses

Coupe d'une couche fossilifère de la carrière Walcott, où la succession des dépôts se traduit par de faibles variations de taille et de couleur des minéraux argileux. Hauteur de l'image = 1,5 cm.

© Musée royal de l'Ontario. Photo : Jean-Bernard Caron.

Au cours de ce processus, les minéraux (dotés de structures planes) ont tendance à s'aligner progressivement les uns sur les autres et à former des strates parallèles. Dans le cas du schiste (y compris les schistes de Burgess), cela produit des roches qui ont tendance à se déliter en de minces feuillets. La présence d'un fossile dans le schiste crée une zone de faiblesse entre les strates, aussi a-t-elle tendance, lorsque la roche se clive, à le faire suivant le plan contenant le fossile, ce qui laisse l'empreinte du fossile sur une surface et sa contre-empreinte sur l'autre.

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Quel âge ont les schistes de Burgess ?

Il est impossible de dater directement les schistes de Burgess, mais leur âge peut être déterminé indirectement en fonction de celui d'autres gisements qui ont été datés par des méthodes géochronologiques (comme l'analyse de la dégradation radiométrique). Ces correspondances se basent sur les profils communs des fossiles que renferment les strates.

Cette méthode, appelée corrélation biostratigraphique, fournit un âge relatif plutôt qu'absolu (voir ci-après). Elle repose sur le principe stratigraphique de la superposition, à savoir que les couches de roches sédimentaires les plus anciennes se trouvent toujours à la base (en l'absence de déformation ou de déversement sous l'effet d'activités tectoniques postérieures).

Autrement dit, plus on creuse profondément, plus les roches devraient être anciennes, comme c'est le cas dans la crête aux fossiles. Si deux sites différents contiennent le même ensemble de fossiles (par exemple, les sites B et C, dans la figure ci-dessous), il est probable qu'ils se sont formés à la même époque. L'âge relatif du site le plus récent (A) et du plus ancien (E) peut se déterminer par la comparaison de leurs compositions fossilifères respectives.

Schéma montrant comment le chevauchement des compositions fossilifères permet de dater les couches

Principes généraux de la biostratigraphie – détermination de l'âge relatif des gisements fossilifères à partir de comparaisons des ensembles de fossiles qu'ils contiennent. Dans cet exemple, le site E correspond à l'assemblage de fossiles le plus ancien.

Pour avoir une utilité dans la corrélation biostratigraphique, il faut qu'une espèce fossile ait été abondante et très répandue, de sorte que ses restes se retrouvent en de nombreux endroits. Il doit également s'agir d'un organisme qui se fossilise bien, ce qui explique pourquoi les organismes à carapace minéralisée, comme les trilobites, sont souvent utilisés dans la biostratigraphie. Les espèces qui n'ont pas subsisté longtemps sont les plus utiles, étant donné qu'elles n'ont laissé de fossiles que pendant une période limitée, ce qui augmente la précision stratigraphique.

La plupart des gisements de type Burgess qui existent dans les Rocheuses canadiennes appartiennent à la zone à Bathyuriscus-Elrathina, du nom de deux trilobites communément trouvés dans les divers assemblages de fossiles. Cette zone fait partie de la formation des schistes de Burgess (autrefois appelée formation Stephen « épaisse »).

Deux trilobites fossilisés

Comparaison côte à côte (à l'échelle) des trilobites Bathyuriscus (à gauche, longueur = 3,7 cm) et Elrathina (à droite, longueur = 1, 3 cm) provenant des couches à trilobites du mont Stephen et de la carrière Walcott à la crête aux fossiles.

© Musée royal de l'Ontario. Photos : Jean-Bernard Caron.

Enfin, les paléontologues doivent comparer les dates relatives fournies par la biostratigraphie à des points de référence fixes se trouvant dans des roches pouvant être datées en nombre d'années au moyen de radio-isotopes. L'absence de roches se prêtant à cette technique (c'est-à-dire des roches ignées ou métamorphiques contenant des éléments radioactifs) dans les schistes de Burgess en empêche l'application directe. De fait, il n'y a que peu d'endroits du Cambrien qui ont pu être datés avec précision de cette façon.

Les points les mieux délimités se situent au début du Cambrien (il y a 542 millions d'années) et à la fin (il y a 488 millions d'années), et on ne dispose que de quelques points de référence entre les deux. En mettant les fossiles en rapport avec ces points fixes, les paléontologues arrivent à établir leur âge relatif, c'est-à-dire le nombre d'années approximatif qui les sépare des dates de référence. L'application de ces méthodes aux schistes de Burgess indique que les fossiles datent du milieu du Cambrien et ont donc entre 505 et 510 millions d'années.

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Tectonique des plaques et monde cambrien

L'enveloppe extérieure rigide de la Terre (la lithosphère) est constituée de nombreuses plaques tectoniques, de 30 à 200 kilomètres d'épaisseur. Elles se déplacent lentement sur une couche visqueuse sous-jacente, composée de roches en fusion. Les collisions et chevauchements de ces plaques peuvent provoquer des tremblements de terre et des éruptions volcaniques ou entraîner la formation de nouvelles chaînes de montagnes, lorsque la roche rigide se déforme sous l'effet de pressions formidables. En plusieurs millions d'années, la surface terrestre peut ainsi changer complètement de physionomie, ce qui a d'énormes répercussions sur le climat, la végétation et la faune.


L'évolution de la terre jusqu'à l'époque des schistes de Burgess.

© Ron Blakey.

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Les organismes dont les restes sont conservés dans les schistes de Burgess vivaient loin du littoral d'une masse continentale proche de l'équateur, baptisée Laurentie par les géologues, à partir de laquelle se formera la majeure partie de l'Amérique du Nord.

Reconstitution de la physionomie de la Terre au Cambrien

Vues de la zone équatoriale (ouest et est) de la Terre, il y a 500 millions d'années. L'emplacement des schistes de Burgess est indiqué par une punaise.

© Ron Blakey.

Au cours du demi-milliard d'années écoulé, cette étendue de terre a migré jusqu'à l'endroit qu'elle occupe aujourd'hui, dans l'hémisphère nord, sous l'effet de la tectonique des plaques. Les mêmes forces ont soulevé l'ancien plancher océanique de près de trois kilomètres, entraînant l'édification des montagnes Rocheuses. Le dernier grand soulèvement s'est terminé il y a environ 65 millions d'années. Depuis, les montagnes ont été progressivement érodées par le vent, la pluie, les cours d'eau et la glace, qui ont creusé de profondes vallées dans les Rocheuses canadiennes. Cette érosion a fini par exposer pour la première fois à l'air libre les roches emprisonnant les fossiles des schistes de Burgess depuis 500 millions d'années.

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Le paléomilieu

La plupart des créatures dont les schistes de Burgess contiennent les restes vivaient en eaux plus profondes (bassin), évoluant sur le fond marin ou dans les sédiments qui le tapissent ou nageant dans la colonne d'eau. Il s'agissait d'un milieu calme et peu dangereux, loin de la surface agitée par les tempêtes et les ouragans. Il était sans doute parcouru de faibles courants, assurant une nourriture abondante aux nombreux organismes suspensivores de cette communauté.

La plupart des animaux vivaient au pied d'une grande falaise sous-marine appelée l'escarpement Cathedral. Cet escarpement s'était formé à la marge extérieure d'une vaste plateforme tropicale de roche carbonatée, qui s'étendait peut-être jusqu'à 400 kilomètres (320 milles) de la côte.

Illustration donnant une idée du milieu des schistes de Burgess au Cambrien

On a découvert au moins douze sites fossilifères au pied de l'escarpement, le long d'une ceinture de 60 kilomètres courant dans la direction générale nord-sud, ce qui semble indiquer que l'escarpement a contribué à créer des conditions optimales à l'existence d'une riche communauté animale, d'abord, et à sa conservation sous forme de fossiles, par la suite.

L'escarpement faisait environ 200 mètres (650 pieds) de haut, avant que de la boue et d'autres sédiments ne commencent à combler le bassin. De par sa forme, il devait canaliser vers sa base des coulées de boue, qui ensevelissaient périodiquement les organismes vivant à cet endroit, assurant ainsi leur conservation. La présence d'algues fossilisées au pied de l'escarpement indique que la lumière du soleil y filtrait. Comme dans les milieux marins actuels, les algues, qui se trouvent à la base de la chaîne alimentaire, assuraient sans doute la subsistance de beaucoup d'autres organismes. De temps à autre, ce milieu paisible était bouleversé par le déversement de torrents de boue, dans lesquels organismes vivants et morts se retrouvaient enfouis en une masse chaotique.

Ce processus a dû se répéter pendant des centaines de milliers d'années, jusqu'à ce que les couches successives de sédiments finissent par combler le bassin.

Découvertes récentes

Un nouveau gisement de type Burgess, correspondant à un type différent de paléomilieu marin, a été découvert en 2008 dans le parc national Kootenay (où se trouve le glacier Stanley). Il n'est pas associé au milieu protégé qui se trouvait au pied de l'escarpement Cathedral et les fossiles qu'il renferme sont moins nombreux (et témoignent d'une diversité moindre) par rapport à ceux des sites proches de la falaise sous-marine. Cela donne à penser que la répartition environnementale des organismes de la faune de type Burgess était bien plus vaste qu'on ne l'avait cru jusque-là.

Il est possible que les conditions à proximité de l'escarpement aient été plus favorables à la vie animale et à la conservation éventuelle des organismes sous forme de fossiles. Plus précisément, la solide roche carbonatée de l'escarpement a pu servir de contrefort et protéger les mudstones et leurs fossiles du plus fort des phénomènes métamorphiques qui allaient suivre. Dans les endroits plus éloignés de l'escarpement, le métamorphisme semble avoir eu des effets plus prononcés et a probablement entraîné la destruction des fossiles qui auraient pu s'y trouver.

Il faudra effectuer davantage de fouilles pour vérifier ces hypothèses et, en particulier, pour évaluer la gamme des conditions environnementales dans lesquelles on peut trouver des fossiles de type Burgess dans les Rocheuses canadiennes.

À gauche, un fossile évoquant les mailles d'un filet; À droite, des chercheurs dans une grande vallée de montagne

Spécimen de l'éponge Diagoniella (à gauche, dimension = 76 mm) provenant de la zone du glacier Stanley (à droite).

© Musée royal de l'Ontario. Photos : Jean-Bernard Caron.

Il est maintenant clair que, à l'échelle mondiale, la faune de type Burgess a une vaste répartition géographique et n'a pas uniquement vécu dans un milieu circonscrit, proche d'un talus sous-marin. Mais la situation unique des schistes de Burgess explique vraisemblablement la quantité et la qualité exceptionnelles des fossiles qui y ont été trouvés, par comparaison avec la plupart des autres gisements de type Burgess ailleurs dans le monde.

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Transformation des organismes morts en fossiles

Croquis montrant la fossilisation d'un organisme

Croquis montrant la fossilisation d'un organisme.

La taphonomie est l'étude de la transformation en fossiles des organismes ou de certains de leurs éléments. Elle examine les circonstances de leur mort, de leur décomposition et de leur enfouissement et les conséquences que ces différents facteurs peuvent avoir sur leur conservation dans la roche.

Les chercheurs qui s'efforcent de reconstituer l'écosystème des schistes de Burgess doivent tenir compte des possibilités de fossilisation des différents types d'organismes. À cet effet, il faut qu'ils comprennent les processus taphonomiques entrés en jeu dans la formation des fossiles de type Burgess. Ceci revêt une importance particulière dans le contexte de l'étude de l'évolution, car les hypothèses taphonomiques sont souvent nécessaires à la reconstitution de l'anatomie d'origine des organismes fossilisés; la méconnaissance de la taphonomie peut déboucher sur des interprétations erronées de certains caractères anatomiques ou sur une mauvaise classification des fossiles.

Dans le milieu des schistes de Burgess, les processus de conservation ont débuté par des coulées occasionnelles de sédiments à granulométrie fine, enfouissant rapidement les animaux vivants et morts sur leur passage.

Ce qui s'est exactement produit ensuite reste incertain. Les sédiments dans lesquels les animaux étaient enfouis étaient apparemment pauvres en oxygène, ce qui a dû empêcher les animaux charognards et les bactéries de dévorer complètement leurs restes. Bien que ce facteur ne suffise pas, à lui seul, à créer des gisements fossilifères de type Burgess, la plupart des spécialistes s'accordent à reconnaître là une condition nécessaire à cette fossilisation extraordinaire.

Selon une autre théorie, les minéraux argileux des sédiments auraient inhibé l'activité bactérienne et la décomposition. Quelle que soit l'explication de ce phénomène, les organismes sont restés relativement intacts, après leur mort et leur enfouissement, et ne se sont pas entièrement décomposés. Dans bien des cas, seuls les tissus les plus fragiles (comme les muscles) se sont décomposés, ce qui a entraîné l'affaissement des parties organiques plus dures et un aplatissement qui a donné des fossiles comprimés. Au fil du temps, les minéraux argileux ont été compactés et alignés autour des fossiles, puis transformés en nouveaux minéraux par un métamorphisme léger.

La plupart des fossiles des schistes de Burgess sont constitués de fines pellicules de carbone, partiellement remplacées par de l'argile ou des minéraux ferrifères (comme le mica), qui préservent les contours d'origine de l'animal. Ils se présentent sous la forme de pellicules foncées, qui, inclinées, réfléchissent souvent la lumière.

À gauche, un fossile ovoïde; À droite, deux vues du même fossile au microscope électronique

Nectocaris pteryx provenant des schistes de Burgess. À gauche, vue d'un spécimen complet (longueur =
5 cm). À droite, images obtenues au microscope électronique de l'œil gauche de ce spécimen, montrant les pellicules de carbone (en noir) sur des minéraux argileux orientés plus ou moins parallèlement à la surface (en gris). On notera également la présence d'oxydes de fer (rappelant le chou-fleur). Les carrés représentent les zones agrandies.

© Musée royal de l'Ontario. Photos : Jean-Bernard Caron.

À gauche, un fossile; À droite, six vues en couleur du même fossile

Fossile de Marrella splendens provenant des schistes de Burgess. À gauche, vue complète d'un petit spécimen (longueur = 0,8 cm). À droite images obtenues au microscope électronique du même spécimen, montrant les différents éléments des minéraux composant les fossiles. (Plus la couleur est vive, plus la teneur de l'élément en question est élevée.) Ce spécimen présente un enrichissement en aluminium (Al), carbone (C), potassium (K) (rangée supérieure), l'absence de silicone (Si) et un enrichissement en soufre (S) et en fer (Fe) (rangée inférieure).

© Musée royal de l'Ontario. Photos : Jean-Bernard Caron.

Ce processus de base semble constituer le principal moyen de conservation de la
quasi-totalité des fossiles de type Burgess du monde entier. On observe des différences régionales : ainsi, certaines parties des fossiles de Chengjiang (comme des membres et des antennes) ont été remplacées par de la pyrite, en plus des pellicules de carbone qui délimitent les corps des animaux.

En outre, il y a des fossiles dont certains organes ont été préservés par le biais d'un processus différent, appelé « phosphatisation ». Les structures ayant une teneur naturelle élevée en phosphate (comme certains éléments du système digestif) se sont minéralisées rapidement, ce qui leur a permis de garder une forme tridimensionnelle, même si les empreintes carbonées ont été complètement aplaties.

Organisme fossilisé avec un boyau sombre

Spécimen de Leanchoilia superlata (longueur = 76 mm) provenant des schistes de Burgess, témoignant de la conservation phosphatique des diverticules intestinaux en trois dimensions.

© Musée royal de l'Ontario. Photo : Jean-Bernard Caron.

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