Formation de Tambach

Tour ouest du château de Friedenstein qui abrite depuis 2010 le musée de la nature de Gotha où sont exposés divers fossiles de la formation de Tambach.

À partir des années 1840, des empreintes de pas à cinq doigts ont été décrites dans diverses carrières de grès et tranchées de route dans l’arrondissement de Gotha en Allemagne. La stratigraphie des roches près de Tambach-Dietharz a été cartographiée en 1876[5] et nommée "Tambacher Schichten" (strates de Tambach) en 1895, bien qu'à l'époque on pensait qu'elles incluaient plusieurs couches rocheuses supplémentaires qui en ont depuis été séparées (formant aujourd’hui les formations d’Elgersberg et d’Eisenach)[2]. En 1887, les premières empreintes fossilisées de Bromacker furent découvertes par un collectionneur de fossiles local nommé Heinrich Friedrich Schäfer. Cette découverte fut donnée au musée ducal de la ville de Gotha et fut signalée de manière indépendante par divers paléontologues allemands[6]. Wilhelm Pabst, conservateur du département d'histoire naturelle du Musée Ducal, a collecté et décrit 140 dalles de grès de la Formation de Tambach de 1890 jusqu'à sa mort en 1908. La collection a été redécouverte dans les années 1950, puis réétudiée par des paléontologues de la RDA tels que Arno Hermann Müller[7] et Hartmut Haubold[8].

Des os fossilisés de tétrapodes ont été découverts dans les lits supérieurs de Bromacker par Thomas Martens en 1974, suscitant une attention accrue des paléontologues de Gotha. Ceux-ci incluent Harald Lützner, qui a formellement délimité la formation de Tambach comme une séquence comprenant deux couches de conglomérat séparées par une couche de grès[2]. Par la suite, des contacts de recherche ont été établis avec des paléontologues occidentaux tels que Jürgen Boy de l’Université de Mayence et David Berman du Carnegie Museum of Natural History. Cela a permis aux fouilles de s'accélérer et à la formation de Tambach d'acquérir une renommée mondiale. Une expédition conjointe germano-américaine de 1993 a récupéré de nombreux fossiles de tétrapodes articulés, et la collecte de traces fossiles a repris après plus de 80 ans grâce à l'excavation d'une nouvelle carrière de grès à Bromacker en 1995[9]. Les premiers fossiles corporels de la formation de Tambach trouvés à l'extérieur de Bromacker ont été découverts en 2008 sur le chantier de construction d'un supermarché dans le village de Tambach-Dietharz[10]. En 2010, les collections paléontologiques du musée ducal (qui était en cours de conversion en musée d'art) ont été transféré au musée de la nature de Gotha situé dans la tour ouest du château de Friedenstein.

Carte de l’actuel bassin forestier de Thuringe (en allemand). TB = "Tambacher Becken" (bassin de Tambach).

La formation de Tambach se situe principalement dans un bassin sédimentaire actuellement occupé par la forêt de Thuringe. Elle repose en discordance sur la formation de Rotterode et est recouverte par la formation d’Eisenach. Elle atteint 200 à 250 m d’épaisseur (possiblement jusqu’à 280 m) et constitue la partie la plus ancienne de la succession du Rotliegend supérieur, un nom faisant référence à une séquence de roches purement sédimentaires du Permien inférieur d’Allemagne[2]. Les sédiments de la formation de Tambach ont été déposés dans un petit graben permien (appelé le bassin de Tambach), qui était orienté dans une direction nord-est à sud-ouest et incisé dans les roches ignées et sédimentaires de la formation de Rotterode. Le bassin de Tambach occupait une superficie d’environ 250 km² pendant le Permien alors que les affleurements modernes ne s’étendent que sur environ 50 km², sans compter la partie nord-est du bassin dont les dépôts ont été érodés par des processus géologiques ultérieurs[1] - [2].

Traditionnellement, la formation de Tambach est considérée comme étant divisée en trois couches distinctes : une couche inférieure et une couche supérieure conglomératique constituant respectivement le membre du Conglomérat de Bielstein (40 à 125 m d’épaisseur) et le membre du Conglomérat de Finsterbergen (10 à 50 m), séparées par une couche de sédiments plus fins (grès et mudstones) caractérisant le membre du Grès de Tambach (40 à 110 m)[11] - [3] - [2]. Cependant, les frontières entre ces couches sont souvent imprécises et certains géologues ont proposé une image de dépôt plus complexe avec trois étapes stratigraphiques définies par des changements dans la sédimentologie à l'échelle du bassin, plutôt que par des types de roches spécifiques[1].

Le stade le plus bas (stade I) a connu une période de forte activité tectonique au sud-est (partie de l’orogenèse varisque), le soulèvement d’Oberhof. La formation du bassin dans ce contexte tectonique a d'abord entraîné de puissantes coulées de débris et des inondations en nappe, puis des rivières tressées actives coulant le long de son bord avec des rivières à faible énergie, des plaines inondables et des lacs en son centre. Le conglomérat grossier (à l'échelle du galet ou de blocs) et rhyolitique de Bielstein a été déposé parmi les environnements marginaux à haute énergie tandis que les premières parties du grès de Tambach ont été déposées plus loin du bord du bassin. La principale direction d'écoulement dans la partie orientale bien préservée du bassin est le sens nord-ouest, en direction du centre du bassin[1] - [2] - [12]. La diminution de l'activité tectonique au stade intermédiaire (stade II) entraîne une érosion accrue, abaissant le relief le long du bord du bassin. En conséquence, l’énergie des rivières tressées situées en bordure du bassin a diminué, réduisant la taille des clastes au conglomérat de cailloux/galets. Le centre du bassin s'est gradué en petits ruisseaux et marais, déposant sable, limon et argile correspondant au grès, siltite, shale et mudstone des lits rouges fossilifères. Bien que le bassin de Tambach ait pu être hydrologiquement isolé pendant cette période, avec ses cours d'eau se drainant en interne[1], certains paléontologues considèrent plutôt que ses eaux s'écoulent dans un autre bassin au nord-est, qui n'a pas été préservé[2]. La dernière étape (étape III) a connu un retour de l'activité tectonique vers le nord-ouest (le soulèvement cristallin de Ruhla), bien que le relief soit encore assez plat. Les cônes alluviaux et les plaines tressées provenant de Ruhla sont devenus plus communs, permettant progressivement à un conglomérat de la taille d'un galet, riche en minéraux, et polymictique[N 1], de s'accumuler et de s'étendre au centre du bassin, formant le conglomérat de Finsterbergen[1] - [2] - [12].

Bromacker

Vue de la carrière de Bromacker où affleurent les strates de la formation de Tambach.

La localité la plus célèbre et la plus fossilifère de la Formation de Tambach est la localité de Bromacker, un groupe de petites carrières abandonnées près du village de Tambach-Dietharz. Les strates affleurant à Bromacker appartiennent à la partie centrale du bassin de Tambach, correspondant à la partie supérieure du stade I et à la partie inférieure du stade II. Les sédiments du stade I à Bromacker sont appelés les «couches inférieures»[1] ou «grès de Bromacker»[3] et les sédiments du stade II sont appelés les «couches supérieures»[1] ou «horizon de Bromacker»[3]. Les couches inférieures sont dominées par d'épaisses nappes de grès à grain fin, souvent à stratification croisée indiquant que le paléocourant était orienté vers le nord-est. Ces couches de grès sont généralement recouvertes de mudstones homogènes qui ont parfois conservé des fentes de dessiccation fossiles, des restes de plantes, des terriers d'invertébrés et des empreintes de tétrapodes. Les épaisses couches de grès (et leurs drapages de mudstone) ne sont pas continues, interrompues par une succession de sédiments micacés plus fins et plus foncés tels que du shale, de la siltite et (rarement) du grès très fin. Cela reconstitue une séquence d'inondations répétées, impliquant de fortes rivières rectilignes érodant des chenaux à travers la plaine inondable limoneuse du centre du bassin, laissant derrière elles des remplissages de chenaux sableux (grès) et des dépôts de surface à grain fin (shale et autres sédiments). Les drapages de mudstone peuvent être expliqués comme des précipités de vastes lacs éphémères qui se sont évaporés dans les semaines suivant les inondations, après quoi ils sont devenus des vasières. De nombreux fragments de fentes de dessiccation ont été arrachés par l’inondation suivante et incorporés dans les grès suivants sous forme d'intraclastes[1].

Une dalle de grès des lits inférieurs de Bromacker, montrant des drapages de mudstone à fentes de dessiccation.

Les lits supérieurs plus étroits représentent également des conditions d'inondation et d'eau calme alternées, bien qu'avec des clastes plus fins et une topographie plus basse. Les remplissages de chenaux de grès sont pour la plupart remplacés par des couches homogènes de siltite rouge. Cette siltite contenait des fragments de fentes de dessiccation, des racines recouvertes de calcite et des squelettes partiels ou articulés de tétrapodes terrestres bien conservés. Ces sédiments indiquent que le relief réduit durant le stade II de la formation de Tambach avait fait des inondations en nappe la force d'érosion dominante à la place des chenaux individuels. Le dépôt d'inondation en nappe le plus bas était particulièrement riche en fossiles de Diadectidae. Les successions de sédiments fins ont également été altérées, devenant dominées par des shales finement stratifiés (et seulement occasionnellement micacés) dans lesquels des restes de conchostracés et d’autres arthropodes ont été fossilisés. Ceux-ci indiquent une transition vers des lacs plus permanents et de vastes conditions de plaines inondables au centre du bassin de Tambach, plutôt que l'environnement fluvial éphémère des lits inférieurs[1].

Un squelette complet et entièrement articulé du Diadectidae Orobates pabsti des lits supérieurs de Bromacker.

Une vaste séquence plus ancienne a été découverte en 2004 grâce aux données de forage. Cette séquence ressemblait quelque peu aux lits inférieurs, avec une alternance de dépôts micacés fins et d'épaisses nappes de grès remplies d'une brèche d'intraclastes de mudstone. Cependant, les couches de grès ne présentaient aucune preuve de stratification croisée et les drapages de mudstone, qui ailleurs préservent la plupart des traces fossiles de la formation de Tambach, étaient également absents. De rares fragments de fossiles de vertébrés étaient présents, ainsi que des structures de calcite[3].

Les Llanos dans l’actuelle Amérique du Sud, dont le climat pourrait correspondre à celui de la formation de Tambach.

A partir de l’analyse des sédiments il a été proposé que le climat de la Formation de Tambach était chaud toute l’année avec des cycles saisonniers de sécheresse et d’épisodes de fortes précipitations. Les périodes de sécheresses ont été suffisamment sévères pour évaporer les lacs éphémères induits par les inondations du bassin de Tambach en quelques jours, limitant la capacité d'une faune aquatique permanente à coloniser le bassin. Cependant, la plupart des fossiles de racines de plantes sont orientés horizontalement (plutôt que verticalement), ce qui indique que le climat était généralement suffisamment humide pour que les plantes indigènes n'aient pas besoin de développer des racines profondes ou d'autres adaptations xérophytiques. De ce fait, la Formation de Tambach correspondrait probablement au climat tropical de savane actuel, malgré l’absence d’herbe au Permien. Les équivalents climatiques modernes incluent la savane nord-africaine et les Llanos du Venezuela et de la Colombie[1]. Cependant, la géochimie des sédiments du membre du grès de Tambach suggère une température annuelle moyenne de seulement 10,9 à 15°C (12,7°C en moyenne)[21]. De plus, la présence de structures sédimentaires identifiées comme des marques de cristaux de glace indique l’existence de variations quotidiennes de la température avec des périodes de gel temporaire se produisant la nuit, probablement en raison de la haute altitude du bassin[22] - [2] - [21].

Représentation d’artiste du paléoenvironnement de la formation de Tambach montrant un Dimetrodon teutonis évoluant dans un paysage rocheux incluant quelques conifères Walchia.

L’écosystème de la Formation de Tambach est inhabituel pour son manque d’animaux aquatiques tels que les requins d’eau douce xenacanthiformes, les amphibiens Eryops ou Diplocaulus, qui ailleurs sont communs dans les lits rouges du Permien inférieur. Cela s’explique par la situation géographique particulière du bassin de Tambach qui se situait à une altitude élevée durant le Permien inférieur. Ces hautes terres étaient isolées des plaines inondables des basses terres où se sont déposés la plupart des lits rouges du Permien. De plus, le caractère éphémère des lacs et des rivières du Bassin de Tambach fait que seuls les animaux aquatiques adaptés à de telles conditions, comme les conchostracés, ont pu s'y épanouir. Le bassin de Tambach abritait une faune d'amphibiens diversifiée, mais uniquement des types adaptés à un mode de vie terrestre, notamment des dissorophoïdes et des seymouriamorphes. Les grands tétrapodes herbivores tels que les Caseidae, et en particulier les Diadectidae, sont les fossiles corporels les plus courants récupérés de la formation, tandis que les synapsides carnivores sont relativement rares. Cela contraste avec les environnements nord-américains, où les fossiles de carnivores tels que Dimetrodon sont plus nombreux que les fossiles d’herbivores. Les conditions environnementales de la formation de Tambach ont probablement créé un réseau trophique très différent de celui des basses terres. Les plantes les plus courantes étaient des types résistants et adaptés à la sécheresse tels que les conifères, tandis que les fougères à graines et autres plantes de plaine étaient beaucoup plus rares. Les plantes terrestres fibreuses ont encouragé la colonisation du bassin par des animaux terrestres herbivores, mais le climat sec a empêché le développement d'une chaîne alimentaire aquatique dont dépendaient certains animaux tels que les grandes espèces de Dimetrodon[1] - [4].