Le tuf FJ-1 de Fejej (sud-Omo, Ethiopie) : Nouvelles

Quaternaire, 19, (2), 2008, p. 141-146
LE TUF FJ-1 DE FEJEJ (SUD-OMO, ÉTHIOPIE) :
NOUVELLES CORRÉLATIONS TÉPHROSTRATIGRAPHIQUES
SUR LA BASE DE LA GÉOCHIMIE AVEC LES FORMATIONS
PLIO-PLÉISTOCÈNES DU BASSIN DE L’OMO-TURKANA
䡲
1
2
3
Cécile CHAPON , Jean-Jacques BAHAIN , Yonas BEYENE ,
4
4
5
Jean-Baptiste BILCOT , Christophe GUY , Michel JULLIEN ,
6
4
Henry de LUMLEY & Olivier PROVITINA
RÉSUMÉ
Quatre affleurements isolés de cendres volcaniques pures ont été observés dans la région de Fejej (Sud-Omo, Ethiopie) dont le tuf FJ-1,
initialement corrélé avec le tuf H-1 de la formation sédimentaire de Shungura. Présentée ici, la nouvelle composition chimique obtenue par
fluorescence X du tuf FJ-1 confirme l’enregistrement d’un seul évènement volcanique et d’un unique dépôt de cendres tronqué par l’érosion. Le tuf
FJ-1 de Fejej peut donc être corrélé avec le tuf G-29, situé au sommet du membre G de la formation de Shungura, lui-même rapproché du tuf Borana
rencontré dans le membre Burgi de la formation sédimentaire de Koobi Fora, ou avec le tuf H-1. En relation avec la magnétostratigraphie et la
biostratigraphie, le tuf FJ-1 a donc un âge compris entre 1,95 Ma, âge de la limite inférieure de la zone de polarité d’Olduvai, et 1,90 ± 0,03 Ma, âge
estimé du tuf H, situé au-dessus du tuf G-29 dans la formation de Shungura. Les corrélations téphrostratigraphiques proposées démontrent que les
dépôts fluviatiles dans lesquels se trouve le site de culture pré-oldowayenne de la localité FJ-1, sont contemporains de la base du membre Burgi
supérieur de la formation de Koobi Fora et du membre G supérieur ou de la base du membre H de la formation de Shungura.
Mots-clés : Ethiopie, Bassin de l’Omo-Turkana, Oldowayen, verres volcaniques, fluorescence X, téphrostratigraphie.
ABSTRACT
FEJEJ FJ-1 TUFF (SOUTH-OMO, ETHIOPIA): NEW TEPHROSTRATIGRAPHICAL CORRELATIONS BASED ON GEOCHEMICAL
COMPOSITIONS WITH THE PLIO-PLEISTOCENE FORMATIONS FROM THE OMO-TURKANA BASIN
Four isolated outcrops containing only volcanic glass shards were mentioned in the Fejej area (South-Omo, Ethiopia). Among them the FJ-1
tuff, was initially correlated with the basal H member of the Shungura formation. The new chemical composition obtained by X-ray fluorescence
confirms the existence of a single volcanic event and an unique tuff truncated by erosion. The FJ-1 tuff could thus be correlated with the G-29 tuff in
upper G member of the Shungura formation, itself correlated with the Borana Tuff intercalated in the Burgi Member of the Koobi Fora formation, or
with the H-1 tuff. In agreement with the magnetostratigraphy and the biostratigraphy, the FJ-1 tuff is dated between 1,95 Ma, age of the lower limit
of the Olduvai subchron, and 1,90 ± 0,03 Ma, the estimated age of the H tuff, located above the G-29 tuff in the Shungura Formation. The proposed
tephrostratigraphical correlation demonstrates that the fluvial sediments and the archaeological level C1 of the FJ-1 locality are contemporaneous
with the base of Upper Burgi member of the Koobi Fora Formation and with the Upper G member or basal H member of the Shungura Formation.
Keys-words: Ethiopia, Omo-Turkana Basin, Oldowan, volcanic ash, X-ray fluorescence téphrostratigraphie.
1 - INTRODUCTION
Située en plein cœur du système des rifts de
l’Afrique de l’Est sur le flanc oriental du bassin de
l’Omo-Turkana, au sud-ouest de l’Ethiopie (fig. 1A), la
localité paléoanthropologique de Fejej FJ-1 a été
découverte dans les dépôts plio-pléistocènes de la terminaison septentrionale de la formation sédimentaire
de Koobi Fora. Cette localité montre un niveau de cendres volcaniques essentiellement constitué d’échardes
1
Université de Perpignan, Centre Européen de Recherches Préhistoriques, avenue Léon Jean Grégory, 66720 Tautavel.
Courriel : [email protected]
2
Département de Préhistoire du Muséum national d’Histoire naturelle, UMR 5198 du CNRS - USM 204 du MNHN, Institut de Paléontologie Humaine, 1, rue René Panhard, 75013 Paris.
3
Department of Archeology and Anthropology, C.R.C.C.H., Ministry of Information and Culture, P.O. Box 1907, Addis Abeba, Ethiopia.
4
Laboratoire d’Analyses Radiochimique et Chimique, Commissariat à l’Energie Atomique de Cadarache, Bâtiment 152, 13108 Saint-Paul lez Durance, France.
5
Laboratoire de Modélisation des Transferts dans l’Environnement, Centre de Cadarache du Commissariat à l’Energie Atomique, Bâtiment 307,
13108 Saint-Paul lez Durance, France.
6
Institut de Paléontologie Humaine, 1, rue René Panhard, 75013 Paris.
Manuscrit reçu le 16/01/2007, accepté le 14/12/2007
142
Fig. 1 : A, Localisation de la zone d’étude de Fejej et répartition des formations sédimentaires plio-pléistocènes du bassin de l’Omo-Turkana ; B,
Répartition des principales localités et des affleurements de tuf volcanique.
Fig. 1: A, Location of Fejej studied area and distribution of the Plio-Pleistocene sedimentary formations of the Omo-Turkana basin; B: Distribution of the
main localities and outcrops of volcanic tuff.
de verres volcaniques et de vacuoles qui ont sédimenté
dans un milieu fluviatile après un premier tri aérien
(Asfaw et al., 1991 ; Lumley et al., 2004a ; Chapon et
al., 2005) (fig. 2). Les assemblages paléontologiques
du niveau archéologique pré-oldowayen C1 (Lumley et
al., 2004b), situé à 3 m sous le tuf FJ-1 (fig. 2), ont permis de le rapprocher du membre G supérieur de la formation de Shungura affleurant dans la basse vallée de
la rivière Omo et du membre Burgi supérieur de la formation sédimentaire de Koobi Fora (fig. 3) située à
l’est du lac Turkana (Echassoux et al., 2004). Ces deux
formations plio-pléistocènes et celle de Nachukui, à
l’ouest du lac Turkana, comptent plus de cent trente
téphras interstratifiés dans les dépôts fluviatiles, lacustres et deltaïques (Harris et al., 1988 ; Brown & Feibel,
1991 ; Feibel, 1999).
Dès la découverte de la localité de Fejej FJ-1 en
1989, les inventeurs effectuèrent des analyses chimiques par microsonde et par plasma à couplage direct
(DCP) (Asfaw et al., 1991) et corrélèrent le tuf FJ-1
avec le tuf H-2 de la formation de Shungura, lui même
corrélé avec le tuf KBS de la formation de Koobi Fora
et daté de 1,869 ± 0,021 Ma (McDougall & Brown,
2006). Cette corrélation a été rapidement remise en
cause par Haileab & Feibel (1993) qui proposèrent de
corréler le tuf FJ-1 avec le tuf H-1 de la formation de
Shungura sur la base de quatre éléments majeurs. Ce
tuf est situé quelques mètres en dessous du tuf H2/KBS
(Cerling et al., 1979) (fig. 3).
Au cours des missions de terrain organisées par le
Muséum National d’Histoire Naturelle dans le but de
fouiller le gisement oldowayen de Fejej FJ-1 en
1997-1998 et en 2002, trois affleurements supplémentaires coiffant des buttes résiduelles isolées (FJ30, FJ-31 et FJ-36), ont été découverts dans un rayon
de 1,2 km autour de la localité fossilifère FJ-1
(fig. 1B). Constatant des similitudes macroscopiques
entre ces niveaux volcaniques et celui de FJ-1, une
analyse par fluorescence X a été effectuée sur des
verres volcaniques sélectionnés dans ces différents
dépôts pour vérifier l’homogénéité de l’accumulation pyroclastique. Ces analyses ont été effectuées au
Laboratoire d’Analyses Chimiques et Radiochimiques du Commissariat (LARC) à l’Energie Atomique
de Cadarache (France). Le tuf de la localité FJ-1,
épais de 0,80 m, a été échantillonné à 0,65 m, 0,40 m
et 0,25 m de profondeur à partir de sa limite supérieure, tandis que des prélèvements ponctuels ont été
réalisés sur les trois autres affleurements (Chapon et
al., à paraître).
143
Fig. 2 : Compositions chimiques en éléments majeurs (en %) des verres volcaniques des tufs des localités de Fejej (FJ-1, FJ-30, FJ-31 et FJ-36)
analysés par XRF, microsonde (a) et DCP (b) (Asfaw et al., 1991), des tufs H-1 et G-29 (formation de Shungura) (Haileab, 1988, 1995) et du tuf
KBS (formations de Koobi Fora et de Lothagam) (Feibel, 1999).
Fig. 2: Chemical data in major elements (weight %) of glass shards from Fejej localities (FJ-1, FJ-30, FJ-31 and FJ-36) analysed by XRF, MP (a) and
DCP (b) (Asfaw et al., 1991), from H-1 and G-29 Tuffs (Shungura formation) (Haileab, 1988, 1995) and KBS Tuff (Koobi Fora and Lothagam formations)
(Feibel, 1999).
2 - RÉSULTATS
Les nouvelles compositions chimiques en éléments
majeurs obtenues au LARC sur les verres volcaniques
des tufs de Fejej (tab. 1) sont présentées aux cotés de
celles mesurées par DCP et microsonde (Asfaw et al.,
1991) et de celles des tufs KBS (Feibel, 1999 ; Cerling
& Brown, 1982) et H-1 (Haileab, 1988), initialement
corrélés au tuf de Fejej FJ-1 (Haileab & Feibel, 1993).
Les nouvelles compositions en éléments majeurs
indiquent que les quatre tufs de Fejej se situent dans le
champ des rhyolites à la limite des dacites (Le Maître,
2002). Les teneurs en SiO2, Na2O, K2O, CaO et MnO
des échantillons du tuf FJ-1 sont très regroupées et les
coefficients de similarité sont élevés indiquant une
composition chimique verticalement homogène
(tab. 2). De plus, ce nouveau dosage bien que fourni par
une autre méthode d’analyse, est relativement proche
des premières compositions chimiques obtenues par
microsonde (89FJ-1(a)) et DCP (89FJ-1(b)) avec des
coefficients de similarité respectifs de 0,64 et 0,76
(fig. 3 et tab. 2). Les autres tufs de la région de Fejej
analysés présentent des teneurs en oxydes les moins
mobiles (Al2O3, TiO2, CaO et Fe2O3) voisines de celles
obtenues sur le tuf de FJ-1, mais celles en TiO2 et en
MgO sont plus dispersées. Par contre, et de façon assez
surprenante, les éléments majeurs K2O et Na2O, considérés comme très mobiles, ont des teneurs homogènes
et très proches d’un échantillon à l’autre (fig. 3). Plus
globalement, les nuages de points correspondants sont
peu étendus et les valeurs des coefficients sont fortes
(CS = de 0,73 à 0,91).
Les données lithostratigraphiques et les assemblages
paléontologiques de chacune des séquences, montrent
que les quatre tufs recensés correspondent à un seul tuf
initial démantelé par l’érosion et témoignent d’un seul
évènement éruptif (Chapon et al., à paraître).
3 - CORRÉLATION AVEC LES AUTRES
TÉPHRAS DU BASSIN DE L’OMO-TURKANA
Les nouvelles compositions chimiques des tufs de
FJ-1 et des trois autres localités écartent définitivement
144
Echantillon
FJ-1.s1 (XRF)
FJ-1.s2 (XRF)
FJ-1.s3 (XRF)
FJ-30 (XRF)
FJ-31 (XRF)
FJ-36 (XRF)
89.Tuf FJ-1(a)
89.Tuf FJ-1(b)
Tuf H-1
Tuf KBS type 77-17
Tuf KBS Lothagam
Tuf G-29
Tuf Borana
SiO2
70,90 ± 3,5
70,50 ± 3,5
73,10 ± 3,5
72 ± 3,5
70,90 ± 3,5
70,90 ± 3,5
72,23
73,58
72,98
73,34
69,4
67,78
TiO2
0,70 ± 0,03
0,41 ± 0,03
0,41 ± 0,03
0,34 ± 0,03
0,59 ± 0,03
0,45 ± 0,03
0,36
0,23
0,14
0,2
0,17
0,54
0,40
Al2O3
13,70 ± 1,5
13,90 ± 1,5
12,50 ± 1,5
13,90 ± 1,5
13,60 ± 1,5
13,80 ± 1,5
14,24
14,06
10,79
10,9
14,17
13,59
MgO
0,20 ± 0,1
0,37 ± 0,1
0,15 ± 0,1
0,22 ± 0,1
0,27 ± 0,1
0,21 ± 0,1
0,09
0,05
0,03
0,04
0,4
0,19
Eléments majeurs en % massiques
Fe2O3
MnO
5,05 ± 0,55
0,17 ± 0,01
5,27 ± 0,55
0,17 ± 0,01
5,11 ± 0,55
0,18 ± 0,01
5,49 ± 0,55
0,10 ± 0,01
5,70 ± 0,55
0,15 ± 0,01
4,93 ± 0,55
0,13 ± 0,01
4,36
0,13
3,5
0,09
4,39
0,13
3,17
0,11
3,03
0,11
5,57
0,18
4,13
0,17
CaO
2,10 ± 0,18
2,23 ± 0,18
1,96 ± 0,18
1,79 ± 0,18
2,62 ± 0,18
2,57 ± 0,18
1,45
1,22
1,84
0,18
0,18
2
1,47
Na2O
3,77 ± 0,8
3,87 ± 0,8
3,27 ± 0,8
3,08 ± 0,8
3,12 ± 0,8
3,90 ± 0,8
3,75
3,26
3,23
1,25
3,56
3,82
K2O
2,80 ± 0,3
2,89 ± 0,3
2,80 ± 0,39
2,60 ± 0,36
2,70 ± 0,33
2,60 ± 0,39
3,28
4,01
2,3
3,92
1,77
4,18
2,80
Total
99,39
99,61
99,48
99,52
99,65
99,49
99,89
100
8,80
94,61
90,79
100
94,35
Tab. 1 : Compositions en éléments majeurs des tufs de Fejej dosés par fluorescence X (données à 1 ) (en gris), par microsonde (89.Tuf FJ-1 (a)),
et par DCP (89.Tuf FJ-1 (b)) (Asfaw et al., 1991), du tuf H-1 (Haileab, 1988), du tuf G-29 (Haileab, 1995), du tuf Borana (Gathogo & Brown, 2006)
et du tuf KBS (Feibel, 1999).
Tab. 1: Concentration of major element (wt %) in Fejej tuffs analysed by XRF (with 1s) (in grey), by microprobe (89.Tuf FJ-1(a)), and by DCP (89.Tuf FJ1 (b)) (Asfaw et al., 1991), in H-1 Tuff (Haileab 1988), in G-29 Tuff (Haileab, 1995), in Borana Tuff (Gathogo & Brown, 2006) and in KBS Tuff (Feibel,
1999).
la corrélation initialement proposée avec le tuf H2/KBS (Asfaw et al., 1991) puisque les concentrations
en éléments majeurs déterminées dans les tufs de Fejej
sont très éloignées de celles obtenues pour ce dernier
tuf et que les coefficients de similarité de Borchardt
sont faibles (CS = 0,50 à 0,58) (fig. 3 et tab. 2). Par ailleurs, la corrélation chimique entre le tuf FJ-1 et le tuf
H-1 (Haileab & Feibel, 1993) resterait valable même si
les compositions chimiques sont légèrement différentes avec des coefficients de similarité entre ces deux
tufs assez faibles (CS = de 0,68 à 0,77) mais inclus dans
l’intervalle de similarité de Borchardt délimité par 0,60
et 1 (Borchardt et al., 1972). En revanche, le tuf G-29,
situé au sommet du membre G supérieur de la
formation de Shungura, et son équivalent, le tuf Borana
(Haileab, 1995 ; Gathogo & Brown, 2006), ont une
composition chimique très proche de celles des tufs de
Fejej, ce qui est conforté par des valeurs de coefficients
de similarité élevées (CS = 0,81 à 0,90 pour le premier
et CS = 0,81 à 0,88 pour le second) (fig. 3).
4 - CORRÉLATIONS
MAGNÉTOSTRATIGRAPHIQUES
Le tuf de FJ-1 et les dépôts sous-jacents se sont mis
en place pendant une magnétozone de polarité normale
que les assemblages paléontologiques permettent de
Fig. 3 : Corrélation téphrostratigraphique entre les formations sédimentaires de Koobi Fora et de Shungura et la séquence de Fejej FJ-1.
Fig. 3: Tephrostratigraphic correlation between Koobi Fora and Shungura sedimentary formations and Fejej FJ-1 sequence.
145
Echantillon
FJ-1.s1
FJ-1.s2
FJ-1.s3
FJ-30
FJ-31
FJ-36
89.Tuf FJ-1(a)
89.Tuf FJ-1(b)
Tuf H-1
Tuf KBS type 77-17
Tuf KBS Lothagam
Tuf G-29
Tuf Borana
FJ-1.s1
FJ-1.s2
FJ-1.s3
FJ-30
FJ-31
FJ-36
1
0,88
1
0,91
0,83
1
0,82
0,83
0,81
1
0,89
0,87
0,84
0,81
1
0,90
0,89
0,82
0,90
0,90
1
89.Tuf FJ1(a)
0,79
0,80
0,78
0,82
0,75
0,82
1
89.Tuf FJ1(b)
0,68
0,67
0,70
0,76
0,66
0,70
0,66
1
Tuf H-1
0,71
0,71
0,70
0,77
0,68
0,75
0,67
0,75
1
Tuf KBS
type 77-17
0,57
0,58
0,60
0,64
0,58
0,60
0,67
0,58
0,59
1
Tuf KBS
Lothagam
0,50
0,50
0,52
0,57
0,51
0,54
0,76
0,62
0,65
0,82
1
Tuf G-29
Tuf Borana
0,84
0,90
0,83
0,79
0,85
0,81
0,76
0,68
0,36
0,59
0,46
1
0,88
0,87
0,83
0,84
0,81
0,87
0,87
0,72
0,41
0,61
0,54
0,80
1
Tab. 2 : Les coefficients de similarités entre les compositions chimiques des cendres volcaniques des tufs de Fejej (FJ-1, FJ-30, FJ-31 et FJ-36)
(en gris), de 89.Tuf FJ-1, du Tuf H-1 et Tuf G-29 de la formation de Shungura, du tuf KBS et du tuf Borana de la formation de Koobi Fora.
Tab. 2: Similarity coefficients for chemical data of glass shards from Fejej tuffs (FJ-1, FJ-30, FJ-31 and FJ-36) analysed by XRF (in grey), microprobe
(89.Tuf FJ-1(a)) and DCP (89.Tuf FJ-1(b)), from H-1 and G-29 Tuffs of the Shungura Formation and from KBS and Borana Tuffs of the Koobi Fora
Formation.
caractériser comme la zone de polarité d’Olduvai, entre
1,77 Ma et 1,95 Ma BP (Cande & Kent, 1995 ; Lumley
et al., 2004a ; Chapon et al., 2005). Dans la formation
sédimentaire de Shungura, cette chronozone débute au
sein de l’unité sédimentaire G-27 à une dizaine de
mètres sous le tuf G-29 et se termine dans le membre H,
quelques mètres au-dessus du tuf H-4/Malbe (Brown et
al., 1978 ; Cerling & Brown, 1982 ; McDougall et al.,
1992 ; Hillhouse et al., 1986). Dans la formation sédimentaire de Koobi Fora, la chronozone d’Olduvai se
termine à une soixantaine de mètres au-dessus du tuf
KBS et sa base n’a pas pu être relevée à cause de l’existence d’un hiatus sédimentaire majeur entre 2,5 Ma et
2 Ma, entraînant la présence sous le tuf KBS, d’une
séquence à polarité normale de cent vingt mètres
d’épaisseur dans laquelle il n’est pas possible de différencier la zone de polarité de Gauss de celle d’Olduvai
(McDougall et al., 1992 ; Hillhouse et al., 1986).
5 - DISCUSSION
Le tuf G-29/Borana (Haileab, 1995), apparemment
le meilleur équivalent possible du tuf FJ-1, occupe une
position stratigraphique qui lui attribue un âge compris
entre 1,95 Ma, base de la chronozone de polarité
d’Olduvai et 1,90 ± 0,03 Ma, âge estimé du tuf H
(Feibel et al., 1989). Ceci concorde avec les données
biochronologiques disponibles pour le niveau archéologique pré-oldowayen C1 de la localité FJ-1, situé
trois mètres sous le tuf FJ-1 (Asfaw et al., 1991, 1993 ;
Echassoux et al., 2004 ; Lumley et al., 2004b). Dans la
formation sédimentaire de Shungura, le tuf G-29 est
situé sous le tuf H dont l’âge de 1,90 ± 0,03 Ma a été
estimé par les taux de sédimentation (Feibel et al.,
1989), à une dizaine de mètres sous le tuf H-1 (Heinzelin, 1983) (fig. 3), mis en place pendant le même intervalle paléomagnétique de polarité normale que le tuf
G-29. En considérant ces données, la corrélation proposée entre le tuf FJ-1 et le tuf G-29/Borana n’exclut
pas celle entre le tuf FJ-1 et le tuf H-1 situé au sein de la
chronozone d’Olduvai et de compositions chimiques
proches. Cependant, les compositions chimiques et les
coefficients de Borchardt et al. (1972) indiquent une
similarité plus forte entre le tuf FJ-1 et les tufs G-29/
Borana.
Ces nouveaux résultats permettent donc de rapprocher le tuf de FJ-1 et les dépôts fluviatiles sous-jacents
(Lumley et al., 2004a ; Chapon et al., 2005) contenant
le niveau pré-oldowayen C1 (Lumley et al., 2004b),
avec le membre Burgi supérieur de la formation sédimentaire de Koobi Fora et avec le membre G supérieur
ou la base du membre H de la formation de Shungura,
confirmant donc l’âge ante-KBS avancé par Asfaw et
al. (1991, 1993) pour le niveau d’occupation pré-oldowayen de la localité de FJ-1 (Lumley et al., 2004b).
6 - CONCLUSION
Les compositions chimiques déterminées par fluorescence X sur des échardes de verres volcaniques du
tuf FJ-1 de Fejej sont similaires aux premières compositions déduites des analyses effectuées par DCP et
microsonde par les inventeurs de la localité de Fejej FJ1. Elles indiquent qu’un seul évènement volcanique est
à l’origine de ce dépôt dont il ne subsiste actuellement
que quelques affleurements isolés sous forme de
surface structurale. Les nouvelles compositions chimiques écartent définitivement la corrélation téphrostratigraphique proposée avec le tuf H-2/KBS. Elles
permettent de proposer une nouvelle corrélation, sur la
base des similarités entre les compositions chimiques
en éléments majeurs, entre le tuf FJ-1 et le tuf G-29/
Borana, en concordance avec les données biostratigraphiques et magnétostratigraphiques. Toutefois, la
corrélation initialement proposée avec H-1, bien
qu’imparfaite, ne peut être écartée puisqu’il est compris dans le même intervalle géochronologique et
magnétostratigraphique que les tufs G-29 et Borana.
En l’absence d’âge direct du tuf de FJ-1, cette
corrélation téphrostratigraphique permet de le situer
entre 1,95 Ma et 1,90 ± 0,03 Ma.
146
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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research area in Ethiopia. Journal of Human Evolution, 21, 137143.
FEIBEL C.S., BROWN F.H., & MCDOUGALL I., 1989 - Stratigraphic context to fossil hominids from the Omo Group deposits,
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Physical Anthropology, 78, 595-622.
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