quaternaire

Subdivision supérieure de l'ère cénozoïque – qui comprend aussi le système tertiaire –, le quaternaire a débuté il y a 2,6 millions d'années, avec l'apparition de l'homme, dont les ancêtres (famille des hominidés) sont apparus et ont évolué durant le tertiaire. Il se poursuit aujourd'hui.
Au début du quaternaire, la position des continents était proche de l'actuelle. Quatre grandes glaciations successives (dont la dernière s'est achevée il y a environ 10 000 ans), séparées par des périodes de réchauffement, ont façonné les reliefs et sont largement responsables des paysages actuels. Ainsi, toute l'Europe du Nord et l'Amérique du Nord étaient recouvertes par une calotte glaciaire qui les a rabotées et a laissé, en fondant, de multiples lacs. Les mouvements relatifs des plaques continuent, notamment dans la mer Rouge et dans le golfe d'Aden, où on assiste à l'ouverture d'un nouvel océan qui éloignera progressivement l'Afrique du Moyen-Orient.
On distingue deux périodes au cours du quaternaire : la première correspond au cycle glaciaire, c'est le pléistocène, la seconde, l'holocène correspond au cycle postglaciaire actuel.

1. Géologie et géomorphologie : les glaciations

Les moraines et leurs altérations ont donné des indications sur l'évolution climatique du quaternaire. Les sols développés sur les moraines sont souvent épais. Les gros éléments sont très attaqués, couverts d'oxyde de fer, s'effritent ou ont disparu. Si le paléosol est détruit par l'érosion, il laisse parfois des témoins sous la forme d'éléments peu altérables, tels que les silex, les quartz ou les jaspes. Ces caractères authentifient l'ancienneté des formes d'accumulation glaciaires. Au contraire, des constructions de même nature, épargnées par le lessivage, restent très fraîches. Elles signalent une glaciation récente.

1.1. Les quatre glaciations des Alpes

Quatre glaciations ont été distinguées dans les Alpes : günz, mindel, riss, würm, auxquelles deux autres phases glaciaires, antérieures au günz, ont été ajoutées (biber et donau). Trois glaciations seulement ont été reconnues en Europe du Nord. La première phase, la glaciation de l'elster, correspondrait au günz et au mindel alpins. Les glaciations de la saale et de la vistule seraient l'équivalent septentrional du riss et du würm. En Amérique du Nord, quatre glaciations ont été reconnues : nebraska, qui marque le début du quaternaire, kansas, Illinois, wisconsin.

1.2. Les moraines du Nord

Sur les marges méridionales de la zone tempérée, dans l'hémisphère boréal, les moraines et les formes de relief qui leur sont associées se raréfient. Les glacis deviennent les principaux témoins de l'évolution du quaternaire. Les pluviaux prennent le relais des glaciations. Les moraines sont en continuité avec des glacis encroûtée, élaborés au cours des pluviaux et des régressions marines, et incisés lors des interpluviaux. Aux abords de la zone intertropicale, les pluviaux correspondent au contraire aux transgressions, donc aux interglaciaires de la zone tempérée, et les périodes sèches aux périodes glaciaires. Au cours des glaciations, les déserts de l'hémisphère boréal ont reculé sur les marges de la zone tempérée et se sont étendus vers le sud. L'équateur thermique, qui est décalé actuellement vers l'hémisphère Nord, devait être situé auparavant dans l'hémisphère Sud, près de la ligne de l'équateur.

1.3. Le domaine périglaciaire

Les effets des glaciations sont sensibles très en avant du front des moraines dans un vaste domaine périglaciaire qui s'étend vers la zone arctique lors des déglaciations et vers les marges méridionales de la zone tempérée lors des glaciations. Des éboulis ordonnés, ou grèzes litées, ont été mis en place par les alternances de gel et de dégel au cours des hivers, et de multiples formes de solifluxion témoignent de réchauffements saisonniers ou interstadiaires. Mais ces phénomènes périglaciaires, bien conservés lorsqu'ils sont hérités du würm, sont beaucoup plus rares pour les périodes antérieures. Les vents ont transporté loin au-delà des fronts d'inlandsis des particules fines de diverses origines (argiles, calcaires, quartz), qui, accumulées, forment les loess.

1.4. Les paléosols

Les paléosols ont parfois disparu ou sont tronqués. Leur présence dans les formations quaternaires est révélatrice d'un changement des conditions climatiques. Le ferretto des régions méditerranéennes, reconnaissable à sa coloration rouge vif, altérant les moraines et les alluvions fluvio-glaciaires du mindel, date l'interglaciaire mindel-riss. Des sols bruns forestiers ont été légués par l'interglaciaire riss-würm dans l'ensemble de l'Europe. Des tchernozioms fossiles marquent l'expansion du domaine des steppes lors des phases froides du würm et du postglaciaire. Avec leurs interstratifications alluviales et colluviales, leurs altérations, signalées par les horizons décalcifiés des lehms, leur faune et leur flore fossiles, leurs industries préhistoriques, les paléosols forment de véritables complexes pédologiques qui ont donné des indications précises sur les séquences morphoclimatiques et bioclimatiques. Malgré les difficultés d'interprétation, certains complexes pédologiques du würm, comme le gisement de Saint-Vallier (Drôme), du mindel et du riss, comme le gisement d'Achenheim (Bas-Rhin), permettent de reconstituer globalement le milieu.

2. La flore et la faune

Le début du quaternaire est marqué par l'apparition de Bos (les bovins), d'Equus (les chevaux) et d'Elephas (les éléphants). Les modifications des aires d'occupation des mammifères de grande taille, proboscidiens, rhinocérotidés, équidés, bovidés, cervidés, antilopes et carnivores, et l'évolution des espèces et des genres, leur essor ou leur extinction reflétant le rythme des oscillations climatiques, ont contribué à l'établissement de la stratigraphie. La fréquence insuffisante des gisements a accru l'intérêt des petits mammifères comme les lagomorphes, les rongeurs, les insectivores et les chiroptères, dont les restes se sont accumulés dans les abris-sous-roche ou dans des fissures sous forme de brèches. Les modifications de la température des eaux marines sont marquées par la réduction de l'aire occupée par des fossiles d'eaux chaudes comme Strombus bubonius. Les fossiles les plus caractéristiques du quaternaire, les mammifères continentaux, n'abondent pas en dehors des interglaciaires.

Les restes macroscopiques des flores ont été conservés dans des cinérites, des argiles à diatomées, des tufs, des travertins et des colluvions. Mais les résultats les plus précis et les plus abondants concernant la paléobotanique ont été livrés par la palynologie. Protégés par leur gaine résistante, les pollens ont été conservés dans les tourbières ou les dépôts d'argile. Identifiés et comptés, ils ont permis la reconstitution des paysages végétaux et des oscillations climatiques qui commandent leur évolution.

3. La classification du paléolithique

Par la fabrication d'outils, par la construction d'un habitat, par l'aménagement de leur environnement, par l'accumulation des débris issus de leurs activités et par leurs propres restes, les hominidés ont laissé des témoignages qui appellent une classification chronologique. Le paléolithique, l'âge de la pierre taillée, est divisé en trois périodes.

Le paléolithique inférieur débute lorsque apparaissent les galets brisés. Ensuite s'opposent les industries sans bifaces, localisées le plus souvent au nord de l'Eurasie, et les industries à bifaces, représentées par l'abbevillien et par l'acheuléen, qui s'épanouit lors de l'interglaciaire mindel-riss et au riss, mais se poursuit jusqu'au début du würm.

Le paléolithique moyen est l'époque du moustérien. L'utilisation de l'os et la croissance de l'outillage dérivé des lames identifient le paléolithique supérieur et ses différentes industries (aurignacien, solutréen, magdalénien, contemporain de la fin du würm).

Au cours d'une période de transition, le mésolithique, l'outillage se diversifie et se miniaturise, alors que la déglaciation commence. Dès le vii^e millénaire avant notre ère, le néolithique commence en Orient, alors que de nombreux groupes humains conservent encore à travers le monde des techniques désormais archaïques.

4. Les méthodes de datation

4.1. La dendrochronologie

Par le comptage et l'analyse des anneaux de croissant des arbres, la dendrochronologie a contribué à la reconstitution des séquences climatiques sur cinq millénaires environ. La téphrochronologie livre aussi des datations absolues alors que les explosions volcaniques sont datées par des documents historiques. Mais l'information est limitée à un courte période. Au-delà, la chronologie redevient relative.

4.2. Le carbone 14

Les mesures de radioactivité ont ouvert la voie à une chronologie absolue plus longue, qui a rendu nécessaires le choix d'une date de référence (1950) et l'emploi d'un système de datation négatif à partir de cette date, signalé par l'abréviation BP (before present). Le dosage du carbone 14, isotope radioactif du carbone 12 contenu dans les matières organiques, indique la durée de la période de désintégration du carbone depuis la mort de l'organisme. Mais la rapide réduction de la proportion du carbone 14 limite le champ d'information à 50 000 ans. Le potassium radioactif ⁴⁰K, contenu dans des cristaux de roches éruptives, se désintègre en libérant de l'argon, ⁴⁰Ar, qui manque à l'origine. Le rapport ⁴⁰K/⁴⁰Ar date la formation des cristaux. L'utilisation de cette méthode a conduit à une périodisation longue du quaternaire. Les datations au carbone 14 et au potassium-argon laissent à l'écart une longue période du quaternaire comprise entre 50 000 et 1 million d'années. D'autres méthodes sont fondées sur l'examen des produits de décomposition des isotopes 235 et 238 de l'uranium, ²³⁴U, ²³⁰Th et ²³¹Pa.

4.3. L'isotope radioactif ¹⁸O

L'utilisation des données de la radioactivité a ouvert de larges possibilités à l'étude des paléotempératures et du paléomagnétisme. L'oxygène, dont le poids moléculaire est de 16, comporte un isotope radioactif ¹⁸O. Les mesures de rapport ¹⁶O/¹⁸O ont permis de préciser l'évolution des paléo-températures des eaux marines en déterminant le pourcentage de l'isotope ¹⁸O dans les carbonates précipités des coquilles. Un relèvement sensible des températures a été ainsi enregistré entre 16 500 et 6 000 BP. Toutefois, la faible sensibilité des eaux marines aux oscillations de durée, la lenteur des modifications de la circulation océanique d'ensemble et les irrégularités de la sédimentation marine rendent parfois illusoires les datations fines obtenues par cette méthode.

4.4. La datation au potassium-argon

La datation au potassium-argon a précisé les données du paléomagnétisme enregistrées par les roches éruptives. Lorsqu'elles se refroidissent, les particules magnétiques incluses dans la roche s'alignent définitivement dans la direction d'aimantation de polarité, introduisant ainsi un magnétisme thermorémanent. Or, le champ magnétique varie et même s'inverse au cours des temps géologiques. Les mesures du paléomagnétisme quaternaire indiquent une succession de périodes dites « normales » marquées par une orientation vers le nord, et de périodes dites « inverses », marquées par une orientation vers le sud. En combinant ces observations avec des datations au potassium-argon, on a pu définir quatre époques : Gilbert, inverse, Gauss, normale, entre 3,4 millions d'années et 2,5 millions d'années, Matuyama, inverse, entre 2,5 millions d'années et 0,7 million d'années. Brunhes, lui, correspond à la période actuelle. Les époques comportent des épisodes à polarité inverse.

5. Les principales phases du quaternaire

Plus chaude et plus humide que de nos jours, l'Europe avait accueilli au pliocène des espèces végétales localisées aujourd'hui en Extrême-Orient, comme Ginkgo biloba ou Liquidambar orientalis, ou sur la façade pacifique de l'Amérique du Nord, comme les séquoias ou les caryas. Le refroidissement du climat marque en principe le début du quaternaire. Une altération du climat a été signalée néanmoins avant la fin du pliocène.

5.1. Le pléistocène (de 2,6 millions d'années à – 117 000 ans)

Les animaux

Le calabrien marin et son équivalent, le villafranchien continental, sont considérés comme les étages de base du quaternaire, bien que les sites qui ont donné leurs noms aux étages ne correspondent pas exactement aux caractéristiques que l'on attribue désormais à la période qu'ils désignent. En Europe du Nord, le villafranchien débute par une période froide, le prétiglien, qui correspondrait à la glaciation de donau dans les Alpes. Le séquoia est alors définitivement éliminé de l'Europe. Après le réchauffement tiglien, plusieurs épisodes froids se succèdent, parmi lesquels figure la glaciation de Günz, qui daterait de 650 000 à 500 000 ans. Au cours du günz, les mastodontes disparaissent et les bovidés primitifs (Leptobos etruscus) se raréfient. Le rhinocéros étrusque cède progressivement place au rhinocéros de Merck. Equus Stetonis, le premier cheval connu, apparaît et se substitue à l'hipparion tridactyle du cénozoïque. Mais les épisodes froids du villafranchien ne semblent atteindre qu'une partie de l'Europe. Alors que les conifères se répandent dans les plaines de l'Europe du Nord, le climat du sud-ouest de la France reste encore chaud et sec.

L'apparition des hominidés

Les hominidés apparaissent approximativement à la fin du tertiaire en Afrique. Un hominidé vieux de 7 millions d'années, Toumaï, a été découvert au Tchad. Le plus ancien australopithèque reconnu avec certitude, découvert dans la vallée de l'Omo, en Éthiopie, date de 4,4 millions d'années. L'homme est présent en Europe depuis plus d'un million d'années.

La flore

À partir du quaternaire moyen, la flore exotique héritée du pliocène disparaît complètement. Au cours de l'interglaciaire günz-mindel, connu sous le nom de cromérien, la forêt de chênes, d'ormes et de tilleuls s'étend aux dépens des aulnes, des bouleaux et des pins. La faune chaude, qui comprend l'éléphant antique, le rhinocéros de Merck, l'hippopotame majeur et le machairodus, occupe encore le territoire européen. La glaciation de Mindel provoque l'expansion des espèces végétales boréales en Europe. Le renne peuple une partie du continent, alors qu'Elephas meridionalis disparaît. La présence de l'homme est attestée à Vértesszôllôs, en Hongrie, et à Terra Amata, au pied du mont Boron, près de Nice, au cours d'interstades mindéliens. Réduit à des galets aménagés au début de l'occupation du site de Terra Amata, l'outillage s'affine ensuite. Les gisements du dernier interglaciaire livrent des bifaces.

L'interglaciaire mindel-riss

L'interglaciaire mindel-riss paraît plus chaud et plus humide que le climat actuel. Aux abords de la mer Méditerranée, un paléosol rouge, le ferretto, est le témoin d'une altération des roches active et profonde. Le site de Saint-Acheul, qui a donné son nom à l'acheuléen, est occupé par ses premiers habitants. En Chine, à Zhoukoudian, un hominidé, le sinanthrope, dont les ossements sont associés à des galets taillés et à des restes de cerfs, occupait vraisemblablement la grotte du site I lors de l'interglaciaire mindel-riss.

5.2. Le quaternaire supérieur (de – 200 000 ans à aujourd'hui)

La glaciation du riss (de – 200 000 à – 120 000 ans)

La glaciation rissienne commence il y a 200 000 ans et s'achève vers – 120 000. Au cours du premier interstade, dans une steppe peuplée de rennes, de chevaux et de rhinocéros, vit l'homme de Tautavel (Pyrénées-Orientales), qui a laissé le plus ancien crâne d'hominidé daté avec certitude en Europe. Les derniers représentants de la faune de climat chaud, tels le tigre à dents de sabre et le rhinocéros étrusque, s'éteignent peu à peu. Au cours d'interstades, l'éléphant antique et l'hippopotame, repliés vers le sud, se répandent de nouveau. Mais, seul, le rhinocéros de Merck atteint l'interglaciaire riss-würm en Europe. Le renne et le mammouth se multiplient. À proximité même de Terra Amata, la grotte du Lazaret, occupée vers – 150 000, indique combien la faune a changé : le gibier est désormais composé de bouquetins et de marmottes.

L'interglaciaire riss-würm (de – 120 000 à – 75 000 ans)

L'interglaciaire riss-würm (de – 120 000 à – 75 000 ans), représenté par l'élémien de l'Europe du Nord, est défini par des dépôts lacustres et marins qui reposent sur des argiles morainiques rissiennes et qui supportent les dépôts fluvio-glaciaires de la dernière glaciation. Le niveau de la mer est alors à peine supérieur au niveau actuel (environ de 6 à 8 m). La reconquête de l'Europe du Nord par la chênaie mixte est en cours pendant la deuxième des six phases climatiques, puis recule lors de la troisième phase, plus humide. Le charme et l'aulne se répandent jusqu'aux approches de la dernière glaciation, marquée, au cours de la cinquième phase, par la disparition des arbres à feuilles caduques. Les paléanthropiens, comme l'homme de Neandertal, dont le cerveau est plus développé dans la partie occipitale que dans l'aire frontale, sont dispersés à travers de vastes espacés.

La glaciation du würm (de – 75 000 à – 10 000 ans)

Au würm (de – 75 000 à – 10 000 ans), dernière glaciation du quaternaire, les glaciers n'ont pas rejoint partout la limite extrême atteinte en Europe par les glaciers rissiens, mais le froid a été encore plus vif. La faune arctique, renne, bœuf musqué, perdrix des neiges, envahit l'Europe. Bouquetins, chamois et marmottes descendent vers les plaines, où ils rencontrent bisons et aurochs. Cerfs et sangliers prolifèrent lors des interstades, au cours desquels le climat se réchauffe. Au würm moyen, vers – 35 000, Homo sapiens apparaît à Cro-Magnon, à Chancelade, à Grimaldi. Les crânes de ces néanthropiens révèlent la croissance de la partie antérieure du cerveau. À cette époque également, les industries se diversifient et les représentations artistiques sont de plus en plus nombreuses. Lorsque se développe la civilisation aurignacienne, l'homme fabrique des pointes de sagaie et des pics en bois de renne, grave des signes et des formes animales. Cette civilisation a laissé des traces de l'extrémité de l'Europe occidentale à la vallée du Don. Son apparition semble plus tardive sur les rives orientales de la Méditerranée. La technique évolue : l'aiguille d'os et les pointes très minces en feuilles de laurier signalent en Europe occidentale le passage au solutréen, à partir de – 18000 environ.

Le tardiglaciaire

Au tardiglaciaire (würm supérieur), des vagues de froid se poursuivent. La toundra, caractérisée par une rosacée en coussinet, Dryas octopetala, qui a donné son nom aux trois stades du dryas, s'étend sur l'Europe septentrionale et médiane. Mais, sous les latitudes moyennes, l'été est plus long et plus ensoleillé que dans la toundra actuelle. Les hommes et de nombreux animaux, comme l'ours des cavernes, se réfugient dans les grottes.

5.3. L'holocène ou postglaciaire (de – 10 000 ans à aujourd'hui)

Une rapide fusion des glaciers, amorcée en Europe il y a dix mille ans environ, marque le début de la transgression flandrienne, qui modifie le tracé des littoraux. Les rivages, situés vraisemblablement entre 120 et 70 m au-dessous du niveau actuel lors du maximum glaciaire et entre 100 et 50 m au würm, lors de la régression préflandrienne, se rapprochent du niveau actuel. Après avoir été libérées rapidement du poids des glaciers, les marges continentales se sont soulevées, lentement, par compensation isostatique. Le mouvement n'est pas encore achevé aujourd'hui; il se poursuit au rythme de 10 m par millénaire dans les îles et les continents proches de la zone arctique. Le mammouth, le rhinocéros laineux et l'ours des cavernes disparaissent. Le renne remonte vers le nord. Au cours du préboréal, la forêt colonise les plaines occupées auparavant par la toundra. La tourbe commence à s'accumuler dans les dépressions mal drainées. La fusion de l'inlandsis scandinave provoque, au cours des périodes daniglaciale et gothiglaciale, le recul du front glaciaire et la formation d'un lac baltique où s'accumulent les argiles à varves. La mer à Yoldia submerge le lac à la suite du relèvement glacio-eustatique du niveau marin.

Le boréal (de – 8 500 à – 7 500 ans)

Au boréal (environ de – 8 500 à – 7 500 ans), l'orme et la chênaie mixte se substituent aux pins et aux bouleaux, premiers colonisateurs de la toundra. En Fennoscandie, la compensation isostatique annule, entre – 9 000 à – 8 000 ans, les effets de la transgression. Le lac à ancylus succède à la mer à yoldia. Le climat, encore sec, devient humide au cours de l'Atlantique (de – 7 500 à – 4 500 ans) et se réchauffe. La reprise de la transgression flandrienne pendant cette période atlantique et le ralentissement du mouvement isostatique changent le lac Baltique en mer à littorines vers – 4 000 ans. Le pas de Calais se forme à la même époque.

Le subboréal (de – 4 500 à – 2 800 ans)

Entre – 4 500 et – 2 800 ans environ, au subboréal, le climat devient moins chaud et plus sec qu'au cours de l'atlantique. L'expansion du hêtre, l'humification et l'acidification des tourbières indiquent ensuite un retour à l'humidité qui distingue le subatlantique.

L'action de l'homme au postglaciaire

Au cours de la période postglaciaire, l'action de l'homme s'est considérablement renforcée. Certes, de nombreux groupes vivent encore pendant longtemps de la chasse, de la pêche et de la cueillette, prolongeant le paléolithique par l'épipaléolithique. Mais, en Orient, s'amorce dès le ix^e millénaire une économie de production. La domestication, puis la culture des céréales favorisent la sédentarisation. Ce mode de vie néolithique se propage vers l'Europe occidentale. Succédant à la métallurgie du cuivre, l'âge du bronze, qui commence au iii^e millénaire, marque le début de la protohistoire.