Les organismes pluricellulaires munis de parties dures, qui fossilisent aisément, sont apparus au début du Cambrien il y a 541 millions d’années. On sait que des organismes mous existaient durant la période précédente, l’Édiacarien, commencée il y a 635 millions d’années. Leur fossilisation est plus difficile mais elle s’est effectuée en plusieurs endroits. On a retrouvé ces fossiles dans les collines d’Ediacara en Australie occidentale. Les traces d’organismes pluricellulaires, visibles à l’œil nu, antérieurs à cette période, sont beaucoup plus rares. Il y a quelques années, des fossiles datés de 2,1 milliards d’années ont été trouvés au Gabon. Ces organismes vivaient dans les mers.
Quant aux organismes unicellulaires, ils ne se conservent que dans des circonstances exceptionnelles et leurs fossiles sont microscopiques. Ils sont donc difficiles à reconnaître. Certaines bactéries édifient des rochers de calcaire en bord de mer, que l’on appelle des stromatolites. Les plus anciens, à l’ouest de l’Australie, ont été datés à 3,5 milliards d’années. Il ne s’agit pas de fossiles : ce sont des constructions, un peu comme des maisons subsistant après la disparition de leurs habitants.
Le pétrole résulte d’une accumulation d’organismes marins morts. Il s’agit de bactéries et d’eucaryotes, c’est-à-dire de cellules à noyaux, en particulier d’algues vertes. Cette accumulation, qui s’effectue au fond des mers et des océans, donne d’abord du kérogène, puis du pétrole et du gaz naturel après l’enfouissement des sédiments. Le pétrole que l’on extrait aujourd’hui ne remonte pas plus loin que le Trias et donc n’a pas plus de 250 millions d’années. À cette époque, la vie avait conquis les continents autant que les océans. Or un champ pétrolifère géant a existé il y a 2 milliards d’années ! Cela montre que le plancton pullulait à cette époque. Bien sûr, ce pétrole n’a pas été conservé. La température régnant à sa profondeur l’a réduit à l’état de bitume.
C’est dans les environs du lac Onega en Russie occidentale que l’on trouve cet ancien pétrole. La carte géologique ci-dessus a été établie en 2009 par Victor A. Melezhik et ses collègues. Elle indique trois carottages descendant jusqu’à 3 000 mètres de profondeur (Kondopoga, Shunga et Tolvuja), qui permettent de connaître la structure du sous-sol et les roches qui y sont présentes. On connaît depuis longtemps l’existence d’une roche contenant plus de 98 % de carbone et donc de couleur noire. On l’appelle le pyrobitume ou la shungite, du nom du village de Shunga.
Pour démontrer que ce carbone est d’origine organique, on a mesuré sa composition isotopique. Deux isotopes existent dans la nature : le carbone 12 qui est le plus fréquent, et le carbone 13. Ils ont les mêmes propriétés chimiques mais le second est un peu plus lourd que le premier. La proportion entre les deux isotopes est exprimée par une quantité qu’on appelle le « delta C 13 ». Les ions bicarbonate présents dans l’eau de mer possèdent un delta C 13 voisin de 0. Quand les organismes photosynthétiques (cyanobactéries ou algues) extraient des ions bicarbonate de l’eau de mer, ils prennent plus de carbone 12 que de carbone 13. Il en résulte que leur delta C 13 est plus petit que celui des ions bicarbonate. Celui de la shungite varie entre ‒ 35,4 et ‒ 36,0 ‰ (trente-six pour mille), ce qui indique qu’il s’agit d’un ancien pétrole.
Ces roches se trouvent sur le bouclier finno-scandinave, qui est la plus ancienne partie de l’Europe. Son socle est constitué de granites et de gneiss figurés sur la carte par de petites croix. Ils remontent à l’Archéen, c’est-à-dire qu’ils ont plus de 2,5 milliards d’années. Par la suite, la croûte continentale s’est déchirée et des volcans ont émis des laves. Dans ce rift, la mer s’est avancée et des roches presque toutes sédimentaires se sont déposées. La carte montre qu’elles remplissent une sorte de cuvette. Les roches du socle affleurent tout autour. Quand on se dirige vers le centre de la cuvette, on marche sur des roches qui sont de moins en moins anciennes.
C’est confirmé par la colonne stratigraphique à droite de la carte. Dans une colonne de roches sédimentaires, les strates anciennes se trouvent sous les strates récentes, sauf quand une orogenèse (formation de montagnes) a tout bouleversé, mais ce n’est pas le cas ici. Les dolomies (dolostones) représentées par des briques sont des carbonates de magnésium et de calcium qui se forment obligatoirement dans la mer. Elles ont été datées de 2 090 ± 70 millions d’années (Tulomozero Formation, TF). Les autres sédiments sont détritiques : issus de l’érosion des terres et transportés par des cours d’eau, puis cimentés en des roches dures. Les arénites sont des sables. Les siltstones de la formation de Zaonezhskaya (ZF) sont plus fins, aux grains de tailles intermédiaires entre celles des sables et des argiles. Cette couche, qui repose sur la TF et est donc moins ancienne, a une épaisseur de 800 mètres et une étendue actuelle de 9 000 km². Son étude détaillée a montré qu’elle s’est déposée sur un plateau continental : la partie périphérique immergée d’un continent. C’est là que la matière organique a été piégée. Elle est répartie dans neuf strates de 5 à 120 m d’épaisseur. Il y a une intrusion de gabbro, un roche magmatique, datée de 1 980 ± 27 millions d’années. C’est la limite supérieure de l’âge de la ZF. Dessus, reposent 600 m de roches volcaniques (basaltes, tufs), puis les grauwackes et les grès (arkosic sandstones) de la formation de Kondopozhskaya (KF). Ce sont des sables cimentés.
Outre un ancien pétrole, ces roches portent le souvenir de la Grande Oxygénation, qui a été l’un des évènements majeurs de l’histoire de la Terre. On peut considérer qu’elle a commencé il y a 2,45 milliards d’années. Avant cela, il n’y avait quasiment pas d’oxygène dans l’atmosphère. La synthèse de l’oxygène par les cyanobactéries a entraîné l’oxydation de sédiments. Ils sont devenus rouges, ce qui leur vaut le nom de « lits rouges » (red beds). Les dolomies de la TF témoignent d’un événement dit de Lomagundi-Jatuli, d’après les noms de deux sites du Zimbabwe et de Finlande, connu grâce aux isotopes du carbone. Les organismes photosynthétiques consomment plus de carbone 12 que de carbone 13. Cela fait grimper de taux de carbone 13 des ions bicarbonate de l’eau de mer, et donc celui des sédiments calcaires qui y précipitent. Cette augmentation du delta C13 a duré de 2,22 à 2,06 milliards d’années et a été très importante, d’une ampleur jamais égalée même durant le Phanérozoïque, l’éon allant du début du Cambrien jusqu’à maintenant. Le pétrole de la ZF a commencé à s’accumuler à la fin de cet événement : il est né dans les roches-mères (source rocks) situées sur les dolomies ayant enregistré l’évènement Lomagundi-Jatuli (Lomagundi-Jatuli isotopic record).
L’enfouissement de la matière organique morte est une condition indispensable à l’augmentation du taux d’oxygène dans l’atmosphère. Durant sa croissance, une cyanobactérie ou une algue consomme du carbone et rejette de l’oxygène, mais quand elle meurt et se décompose, elle est oxydée : elle se met à « consommer » de l’oxygène et à rejeter du carbone. Si elle est enfouie dans des sédiments, son oxydation ne peut pas se produire. Ainsi, la formation de kérogène puis de pétrole est la cause de l’augmentation du taux d’oxygène et de la diminution du taux de CO₂ – qui se transforme en bicarbonate quand il se dissout dans l’eau de mer.
Il y aurait 250 milliards de tonnes de carbone stockés dans les environs du lac Onéga. Tout ce carbone a été retiré de l’atmosphère et des océans. Pour donner une idée de ce que cela représente, il existerait 2 000 milliards de tonnes de carbone sous forme de pétrole et de charbon. L’ensemble des êtres vivants présents dans les océans rassemble 3 milliards de tonnes de carbone. On voit que la production de pétrole a été très importante il y a 2 milliards d’années. Ce pétrole s’est comporté comme celui du Phanérozoïque. Il est arrivé à maturation dans les siltstones de la ZF, qui a fait office de roche-mère. Du pétrole a ensuite migré dans les sables de la KF, où il a formé des poches. Ce sont ces poches que l’on exploite aujourd’hui, car il est difficile de chercher le pétrole dans sa roche-mère. Si rien n’arrête la migration du pétrole, il monte jusqu’à la surface, où il est oxydé et donc détruit.
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Victor A. Melezhik et al., Petroleum surface oil seeps from a Palaeoproterozoic petrified giant oilfield, Terra Nova 21, 119-126, 2009.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/j.1365-3121.2009.00864.x
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