Le brusque refroidissement climatique de la limite Éocène-Oligocène mesuré en Amérique du Sud

Après l’apocalypse qui a exterminé les dinosaures non aviens, les ammonites et beaucoup d’autres espèces à la fin du Crétacé, il y a 66 millions d’années, la Terre a repris son visage normal : celui d’une planète chaude, abondamment boisée, où il n’existait pas de calotte glaciaire. L’Antarctique avait beau connaître les nuits polaires, elle n’était pas enfouie sous la glace. Les scientifiques y ont même trouvé des restes de palmiers datant du début de l’Éocène (de 56 à 33,9 Ma). Cette période est celle d’un optimum climatique, situé il y a environ 50 Ma. Les températures ont ensuite décru. Il s’est produit une chute brutale pendant le passage à l’Oligocène (de 33,9 à 23 Ma), provoquant une crise biologique appelée la Grande coupure. C’est le plus important bouleversement climatique que la Terre a connu depuis la fin du Crétacé, la faisant passer d’un « âge de serre » à un « âge de glace ». Au début de l’Éocène, il s’est produit un réchauffement vigoureux, probablement causé par un largage de méthane dans l’atmosphère, mais qui a été bref.

Ce refroidissement se mesure, d’une manière maintenant classique, dans les tests de foraminifères benthiques. Ce sont des protozoaires vivant sur le fond des mers et construisant des coques (les tests) chitineuses imprégnées de calcaire. Leur composition en isotopes de l’oxygène reflète celle de l’eau de mer, laquelle est liée à la température de leur milieu ou avec le volume des calottes glaciaires quand il y en a. Le refroidissement se fait sentir dès 33,9 Ma et se prolonge durant quelques centaines de milliers d’années : c’est le premier maximum glaciaire de l’Oligocène (earliest Oligocene glacial maximum, EOGM, en anglais).

L’Antarctique s’est recouverte de glace durant cette période. Mais comment peut-on le savoir puisque l’âge des glaces les plus anciennes qui ont été prélevées ne dépasse pas 800 000 ans et que le socle rocheux ne peut pas être examiné ? Pour cela, on utilise le fait que l’érosion produit des sédiments, dont des argiles et du sable à grain plus ou moins fin. Les glaciers raclent le socle rocheux en lui arrachant des fragments assez grossiers qu’ils transportent jusqu’au large. Ces débris ont été retrouvés dans les sédiments de l’océan Austral. Par ailleurs, l’érosion de ce continent a changé de nature. Quand l’eau de pluie ruisselle sur des roches, elle provoque une transformation chimique des minéraux. C’est ainsi que des argiles se forment. L’érosion glaciaire n’est pas chimique mais mécanique : les roches sont désagrégées sans que de nouveaux minéraux apparaissent. Alors que l’érosion de l’Antarctique produisait surtout des smectites avant la glaciation, les argiles dominantes deviennent les illites après cet événement.

Il est délicat de mesurer ce refroidissement climatique sur les continents puisque la sédimentation s’y fait de manière épisodique et qu’elle est parfois difficile à dater. Les sédiments et les fossiles qu’ils contiennent éventuellement sont les seuls matériaux sur lesquels les géologues puissent travailler. Dans l’hémisphère Nord, les variations estimées vont de 4° à 8 °C. David Auerbach Colwyn, du département de géologie et de géophysique de l’université Yale et son collègue Michael T. Hren viennent de trouver le premier témoignage de ce refroidissement dans l’hémisphère Sud, en Patagonie, avec une estimation de 5 °C. Cet évènement est daté d’environ 34,2 Ma. Il se produit ensuite un rebond des températures jusqu’il y a 33,5 Ma. En fin de compte, la baisse de température a été de 2 °C.

Pour arriver à cette conclusion, les scientifiques ont étudié des sédiments de la province de Chubut, près de la ville de Sarmiento, à environ 45° de latitude Sud. La plus grande curiosité géologique est une forêt pétrifiée datant du début du Paléocène (de 66 à 56 Ma). Ces arbres vivaient dans un environnement chaud et marécageux. Les volcans des Andes, qui commençaient alors à s’élever, leur envoyaient des cendres riches en silice lors d’éruptions explosives. Ce sont elles qui ont permis la pétrification du bois. Sur le site de Gran Barranca, le dépôt des cendres a eu lieu de l’optimum climatique de l’Éocène jusqu’à celui du Miocène, soit de 41,6 à 18,7 Ma. Le refroidissement climatique de la limite Éocène-Oligocène y a été enregistré. Dans l’atmosphère, les cendres ont piégé un peu d’eau de pluie, or le taux de deutérium de cette eau a un rapport avec la température (le deutérium est un hydrogène lourd, dont les noyaux comportent un proton et un neutron). Ce site de Gran Barranca est unique, car les sédiments ne contiennent pas grand-chose d’autre que des cendres, sur une période de presque 23 millions d’années. Les hiatus constatés proviennent de l’érosion ou s’expliquent par des variations du niveau des mers. Des fossiles de mammifères ont été trouvés dans ces sédiments.

Cette découverte permet de mieux comprendre le refroidissement et de le lier à la baisse du taux de dioxyde de carbone dans l’atmosphère. La cause de cette baisse n’est pas connue mais elle pourrait être due à une modification des courants océaniques. Le réchauffement ayant suivi l’EOGM correspond à une remontée du taux de CO₂. Il existe plusieurs manières d’évaluer ce taux. D.A. Colwyn a utilisé les travaux de Paul Pearson, qui a étudié des tests de foraminifères planctoniques exceptionnellement bien préservés dans des sédiments de Tanzanie. Ces protozoaires vivent, non pas sur le fond des mers, mais près de la surface. Du bore est inclus dans leurs coques, or la proportion des isotopes ¹⁰B et ¹¹B dépend du pH de l’eau de mer, lui-même lié au taux de CO₂ dans l’atmosphère. Les résultats sont en accord avec les estimations antérieures, selon lesquelles ce taux était d’environ 1 100 ppmv (0,1 %) il y a 34 Ma. Il a ensuite chuté, puis lorsqu’il a atteint un seuil d’environ 750 ppmv, l’Antarctique s’est recouverte d’une calotte glaciaire. À partir de 33,6 Ma, le taux de CO₂ est remonté mais cet inlandsis a subsisté au moins en partie.

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David Auerbach Colwyn, Michael T. Hren, An abrupt decrease in Southern Hemisphere terrestrial temperature during the Eocene–Oligocene transition, Earth and Planetary Science Letters 512, 227-235, 15 April 2019.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X19300846