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Comment la tectonique des plaques provoque les ères glaciaires

Plage de Batuputih, réserve naturelle de Tangkoko Batuputih au nord des Célèbes. Ce sable est du basalte produit par l'activité volcanique du Cénozoïque. Son érosion est consommatrice de dioxyde de carbone. @ Sakurai Midori / Wikimedia Commons.

Les hommes modernes manquent de chance. Depuis qu’ils existent, ils ont dû affronter une succession de glaciations. Nous vivons actuellement dans une période interglaciaire, mais la température moyenne annuelle de la Terre, qui est de 15 °C, reste basse en comparaison de ce qu’elle a connu depuis le début du Cambrien il y a 541 millions d’années. Cette ère, commencée au moment où la vie se diversifie dans les mers, est le Phanérozoïque. Globalement, la Terre a plutôt été une « serre » qu’une « glacière », pour reprendre les expression anglaises greenhouse et icehouse. Durant cette ère, elle a connu trois périodes glaciaires.

Celle de la fin de l’Ordovicien (de 485 à 443 Ma) a duré au plus cinq millions d’années et a causé la première des grandes extinctions de masse du Phanérozoïque, durant laquelle 85 % des espèces marines ont disparu. À cette époque, les continents étaient presque déserts. Seules des petites plantes commençaient à s’y installer. La deuxième période glaciaire, beaucoup plus longue, a débuté durant la seconde moitié du Carbonifère (de 359 à 299 Ma) et s’est poursuivie durant la majeure partie du Permien (de 299 à 252 Ma). En Australie de l’est, huit phases glaciaires ont été observées durant une période de 65 millions d’années. Elles n’ont pas provoqué d’extinctions d’espèces. Le Paléozoïque s’achève avec le Permien et est suivi du Mésozoïque, qui est l’ère des dinosaures. Ils n’ont connu que de la chaleur, sauf à la fin du Jurassique il y a 145 Ma. Le Mésozoïque s’achève il y a 66 Ma avec une nouvelle extinction de masse. Les mammifères se substituent aux dinosaures. Les températures atteignent des sommets vers 50 Ma avant de chuter. Une baisse brutale entraîne la formation d’une calotte glaciaire sur l’Antarctique il y a 34 Ma, alors que ce continent était auparavant recouvert de forêts malgré les nuits polaires. Une petite crise biologie s’en suit. Les températures remontent jusqu’à l’optimum climatique du Miocène il y a 16 Ma. Depuis, elles n’ont pas cessé de chuter. Le Quaternaire, commencé il y a 2,59 Ma, est marqué par une série de 17 glaciations.

Une équipe de scientifiques comprenant Francis Macdonald, Nicholas Swanson-Hysell, Yuem Park et Lorraine Lisiecki, de l’Université de Californie, ainsi qu’Oliver Jagoutz du Massachussetts Institute of Technology, a trouvé une explication unique à ces trois périodes glaciaires. Elle repose sur l’érosion des roches des plaques océaniques. De haut en bas, ces roches sont des basaltes, des gabbros et des péridotites. Les deux premières constituent la croûte océanique. Elles sont dites mafiques à cause de leur teneur en magnésium et en fer. Les péridotites sont les roches du manteau, qualifiées d’ultramafiques. Les minéraux qui constituent ces dernières sont essentiellement de l’olivine et des pyroxènes. Les basaltes et les gabbros comprennent en plus des feldspaths plagioclases, dont un silicate calcique : l’anorthite Al₂Si₂O₈Ca. Il réagit avec l’eau chargée de CO₂ pour donner des ions calcium et bicarbonate, ainsi que de la kaolinite, qui est une argile :

2 Al₂Si₂O₈Ca + 4 CO₂ + 6 H₂O → 2 Ca²⁺ + 4 HCO₃⁻ + Si₄O₁₀Al₄(OH)₈.

L’enstatite MgSiO₃, qui est un pyroxène et un silicate magnésien réagit également avec de l’eau chargé de CO₂, pour donner des ions magnésium et bicarbonate, ainsi que de la silice :

MgSiO₃ + 2 CO₂ + H₂O → Mg²⁺ + 2 HCO₃⁻ + SiO₂.

Par conséquent, quand il pleut, les gouttes de pluies se chargent en dioxyde de carbone lors de leur chute dans l’atmosphère et l’altération de ces silicates produit des ions bicarbonates dans lequel le carbone est retenu. C’est pourquoi l’altération des silicates calciques et magnésiens est une pompe à CO₂. Après l’altération de l’anorthite, les deux ions Ca²⁺ peuvent s’associer avec les quatre ions HCO₃⁻ (généralement avec l’aide d’organismes vivants) pour donner deux molécules de calcaire CaCO₃ et deux molécules de CO₂, ainsi que de l’eau. Au total, quatre molécules de CO₂ sont utilisées mais seules deux sont rendues. Il peut se passer la même chose après l’altération de l’enstatite : si l’on ajoute un ion calcium dans la solution, du calcaire est susceptible de précipiter et une seule molécule de CO₂ sera rendue.

Collision de la Laurentia (continental crust) avec un arc insulaire. USGS, domaine public.

L’érosion des roches de la croûte océanique consomme plus de CO₂ que celle de la croûte continentale, majoritairement constituée de granites, mais elle repose normalement sous quelques milliers de mètres d’eau. C’est la tectonique des plaques qui permet de la mettre à l’air libre et d’y faire ruisseler de l’eau de pluie. Les trois schémas ci-dissous montrent la fermeture d’un ancien océan, le Iapetus, qui séparait la Laurentia (un continent regroupant l’Amérique du Nord et le Groenland) de l’Avalonia. Ce dernier était un petit continent allant de l’actuelle Terre-Neuve jusqu’au sud des îles britanniques et au nord-ouest de l’Allemagne, sachant que cette île canadienne était proche de l’Irlande méridionale. La subduction de la plaque de la Laurentia sous la plaque du Iapetus a fait naître un arc insulaire sur le bord de celle-ci. Il s’agit d’un alignement d’îles volcaniques semblables aux volcans antillais. La convergence des deux plaques a entraîné la collision de l’arc avec la future Amérique du Nord et la surrection d’une chaîne de montagnes dite taconienne en Amérique et grampienne dans les îles britanniques. On peut la suivre sur 6 000 km de l’Alabama jusqu’aux îles Shetland. L’évènement s’est produit à la fin de l’Ordovicien et ces montagnes ont été érodées durant les périodes suivantes, le Silurien (de 443 à 419 Ma) et le Dévonien (de 419 à 359 Ma). Un tel événement peut entraîner l’émergence de fragments de croûte océanique et même de manteau. Ils constituent un ophiolite. Ces fragments sont représentés en noir dans les schémas. En Irlande, ils affleurent toujours dans le comté de Mayo et marquent la ligne de suture entre l’arc volcanique et le continent.

Pour Francis Macdonald et son équipe, cette suture s’allongeait sur 10 000 km et se trouvait sous des latitudes tropicales. L’érosion des roches océaniques par de fortes pluies a prélevé une telle quantité de CO₂ atmosphérique qu’elle a provoqué la glaciation fini-ordovicienne. Il importe de préciser que même quand une vaste calotte glaciaire se constitue sur les surfaces continentales de l’hémisphère Sud, il continue à faire chaud autour de l’équateur et les précipitations se poursuivent, Par ailleurs, la collision de l’arc avec le continent a provoqué l’arrêt de son activité volcanique, d’où une réduction de l’émission de CO₂ dans l’atmosphère : les volcans sont des émetteurs de dioxyde de carbone. Le flux est faible à l’échelle de temps humaine, mais c’est lui qui est à l’origine de tout le CO₂.

D’après ces auteurs, les « âges de glace » du Phanérozoïque ont tous la même cause. Après avoir compilé plus de deux cents études géologiques, ils ont trouvé que les périodes de glaciation ont débuté quelques millions d’années après des collisions de continents et d’arcs insulaires, ce qui est un faible intervalle de temps dans l’histoire de la Terre. Après la crise fini-ordovicienne, viennent les glaciations du Carbonifère et du Permien, dite aussi gondwaniennes, car elles ont affecté le Gondwana, un supercontinent regroupant l’Amérique du Sud, l’Afrique, l’Inde, l’Antarctique et l’Australie. La collision de celui-ci avec la Laurussia, qui comportait la Laurentia, l’Avalonia et la Baltica, a soulevé d’immenses chaînes de montagnes situées autour de l’équateur et donc soumises à un climat humide. La chaîne hercynienne, qui a créé le socle granitique de la France, était l’une d’elles. Cependant, l’autre pompe à CO₂ qu’est la sédimentation de la matière organique a également joué : d’immenses stocks de charbon se sont constitués durant le Carbonifère et le Permien. Ce sont d’anciennes forêts qui ont pris leur carbone à l’atmosphère.

En ce qui concerne le Cénozoïque (ère commencée il y a 66 Ma), les auteurs invoquent bien sûr la surrection de l’Himalaya, qui s’est produite sous des latitudes tropicales. Cette chaîne de montagnes résulte de la rencontre de l’Inde et de l’Eurasie, auparavant séparées par l’océan Téthys. Oliver Jagoutz a participé à une étude publiée en 2013, démontrant que l’arc insulaire du Ladakh-Kohistan est entré en collision avec l’Inde il y a environ 50 Ma. Cette datation correspond à la fin de l’optimum climatique de l’Éocène. Le continent indien et l’arc sont ensuite entrés en collision avec l’Eurasie il y a environ 40 Ma, entraînant la fermeture de ce qu’on appelle le bassin de Shyok.

Il y a eu d’autres collisions d’arcs insulaires et de continents durant le Phanérozoïque, mais elles ne se sont pas produites sous les tropiques et n’ont pas entraîné de glaciation. Une collision est actuellement en cours sur l’équateur : l’orogenèse indonésienne. Elle est provoquée par le déplacement de la plaque Pacifique vers l’Australie, l’Indonésie et l’Eurasie. Ce mouvement a engendré la création de deux grands ophiolites, en Nouvelle-Guinée et aux Célèbes (ou Sulawesi). La situation est complexe, car la plaque indonésienne, dite de la Sonde, est fragmentée dans sa partie orientale. L’île des Célèbes est composée à l’est d’un grand ophiolite sous lequel s’enfonce le micro-continent Banggai Sula. Il est presque totalement immergé alors que l’ophiolite, qui est un rebord de plaque océanique, se trouve à l’air libre. Les abondantes pluies qui tombent sur ces reliefs ont probablement mis fin à l’optimum climatique du Miocène, il y a environ 16 Ma, et ont amené la Terre vers les glaciations du Quaternaire. L’érosion de ces roches apporte une contribution au puits de carbone estimée entre 9 et 14 %. Il finira par absorber l’excès de CO₂ que l’humanité est en train d’émettre, mais pour cela, il faudra beaucoup de temps. Ces processus géologiques sont lents.

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Francis A. Macdonald et al., Arc-continent collisions in the tropics set Earth’s climate state, Science 363, Issue 6432, 15 March 2019.

Présentation de l’article par Jennifer Chu, du MIT News Office :

http://news.mit.edu/2019/tectonics-tropics-trigger-ice-ages-0314

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