Le Jurassique, période géologique durant laquelle les dinosaures ont commencé à régner sur la Terre, a vu une grave crise se produire dans les océans : un défaut d’oxygène a permis à de grandes quantités de matière organique de s’accumuler au fond des mers, mêlée à des argiles, sans être dégradées. Ces black shales « argiles noires » ont par la suite engendré des hydrocarbures que nous consommons actuellement. L’anoxie a également provoqué une extinction massive d’espèces marines. Cet événement s’est produit au début du Toarcien, étage allant de 182,7 à 174,1 millions d’années.
En 2007, une équipe conduite par la paléobiologiste Jennifer McElwain a mesuré l’évolution du taux de CO₂ dans l’atmosphère en se basant sur les stomates des plantes terrestres. C’est par eux que les échanges de gaz se font avec l’atmosphère. Plus le taux de CO₂ est élevé et moins il y a de stomates, ce qui réduit les échanges. Pour cela, 126 feuilles fossilisées du Danemark ont été étudiées. Ces plantes étaient des fougères à graines, des conifères ou étaient apparentées aux cycas et au Ginkgo biloba. Les angiospermes, ou plantes à fleurs, n’existaient pas encore à cette époque. Le résultat est qu’une diminution de 350 ± 100 ppmv du taux de CO₂ (soit aux alentours de 0,035 %) s’est produite, entraînant un refroidissement de 2,5 °C. Elle coïncide avec le dépôt des argiles noires. Le taux de CO₂ est passé sous les 400 ppmv durant 200 000 ans, ce qui aurait pu permettre à des calottes glaciaires de naître autour des pôles. Ensuite, durant approximativement 50 000 ans, il est monté de 1 200 ± 400 ppmv, provoquant un réchauffement d’environ 6,5 °C. Cela correspondrait à l’injection de 2 600 à 4 400 gigatonnes de carbone, sous forme de CO₂, dans l’atmosphère (toutes les réserves d’hydrocarbures, y compris celles déjà consommées, pourraient contenir plus de 1 000 Gt de carbone). Selon d’autres indicateurs géochimiques, dans les latitudes moyennes, la température de surface des mers a augmenté de 15 à 20 °C. L’érosion des continents, démultiplié durant cet épisode hyperthermique, a permis de faire retomber le taux de CO₂.
Évidemment, de tels changements climatiques ont eu des répercussions sur la végétation, mais elles avaient jusqu’alors été peu étudiées. C’est l’objet d’un article de Sam Slater, du Musée d’histoire naturelle de Stockholm, et de trois autres scientifiques, publié dans Nature Geoscience. Ils ont analysé des séquences sédimentaires du Yorkshire au Royaume-Uni. Cette région se trouvait alors sous la mer, comme une grande partie de l’Europe occidentale et centrale. L’Écosse était en revanche émergée, ainsi qu’un massif à cheval entre le sud-est de l’Angleterre et la Belgique. Les vents et les cours d’eau apportaient des spores et des pollens dans la mer, où ils se mêlaient à du plancton. Durant le Jurassique inférieur, les continents étaient réunis en un supercontinent, la Pangée, et les mers épicontinentales européennes communiquaient à l’est avec l’océan Téthys.
Avant la crise du Toarcien, la végétation était diversifiée. Elle comportait des fougères à graines, des conifères, des fougères et des lycophytes, qui sont les premières plantes vasculaires. Si elles sont aujourd’hui minuscules, elles étaient arborescentes dans les paysages du Carbonifère et atteignaient 35 mètres de haut. Les dénommées « fougères à graines » ou ptéridospermales étaient des gymnospermes, c’est-à-dire des plantes à graines nues, de même que les conifères modernes, lesquels sont apparus durant le Jurassique. Elles étaient très abondantes durant le Carbonifère et le Permien.
La crise du Toarcien a provoqué une réduction de cette diversité, en privilégiant des plantes adaptées aux climats chauds et secs, voire arides, comme les cheirolepidiacées, les cycadales et les producteurs de cérébropollenites, un genre de pollen provenant probablement de conifères Tsuga ou de pins parasols japonais (Sciadopitys). On note aussi un prolifération de cérébropollenites au Groenland. Ce territoire était certes plus proche du Yorkshire que maintenant puisque l’Atlantique n’existait pas encore, mais cela montre que le phénomène était répandu. Les cycadales sont des gymnospermes ressemblant à des palmiers. Les cheirolepidiacées constituent une famille de conifères qui ont vécu exclusivement durant le Mésozoïque (de 252 à 66 Ma). Ils sont restés répandus après la crise, de même que les cupressacées, une autre famille de conifères comprenant les cyprès. Ces végétaux semblent avoir occupé des niches écologiques laissées vacantes par les producteurs de « pollens à deux sacs », dont des fougères à graines. Les cycadales adaptées aux climats arides ont décliné tandis que les producteurs de périnopollenites, indicateurs de climats humides, se répandaient. La végétation s’est rétablie après la crise, mais est restée notablement différente.
D’après les modèles climatiques et l’accroissement de l’érosion, la future Europe occidentale a été soumise à d’abondantes pluies durant l’évènement hyperthermique, mais la végétation paraît s’être adaptée à l’aridité. Cela peut s’expliquer par une forte saisonnalité, avec des moussons et des périodes de sécheresse auxquelles les plantes devaient faire face. L’accroissement du taux de CO₂ a dû réduire la perte d’eau par évaporation à la surface des feuilles, les stomates s’étant raréfiés. Comme les plantes consommaient moins d’eau, les sols étaient soumis à un ruissellement plus abondant qui emportait les substances nutritives (azote et phosphore) vers la mer et a contribué à son eutrophisation. Il se produisait des efflorescences d’algues qui, lorsqu’elles mouraient et se décomposaient, absorbaient l’oxygène dissous dans l’eau. Ce phénomène a entraîné l’anoxie caractéristique de la crise du Toarcien. Dans le Yorkshire, les dinoflagellés, des organismes planctoniques, ont décliné pendant que des algues unicellulaires du type prasinophyte proliféraient. Cette eutrophisation s’est prolongée alors que la diversité de la végétation terrestre se rétablissait.
Il reste à expliquer l’augmentation du taux de CO₂. À cette époque, le Gondwana, qui était la partie méridionale de la Pangée, commençait à se disloquer. Elle regroupait l’Amérique du Sud, l’Afrique, l’Inde, l’Antarctique et l’Australie. De puissantes éruptions volcaniques se sont produites, créant la province magmatique de Karoo-Ferrar, des noms de régions de l’Afrique du Sud et de l’Antarctique. Cette étendue de basalte couvre un total de trois millions de kilomètres carrés et se retrouve sur les autres continents de l’hémisphère Sud. Les premiers changements d’écosystèmes constatés coïncident avec le début des éruptions et la crise du Toarcien est contemporaine de leur phase principale.
On sait que tous les volcans émettent du dioxyde de carbone, mais peut-être l’explication est-elle plus compliquée. Pour Jennifer McElwain et ses collaborateurs, citant d’autres chercheurs, en progressant sous la surface de la Terre, le magma a rencontré des veines de charbon datant du Carbonifère et du Permien. Il les a métamorphisées en libérant du méthane, qui a été oxydé en CO₂. Un mécanisme semblable a été proposé pour la crise Permo-Trias. Les éruptions volcaniques émettent du CO₂ mais les intrusions de magma dans des couches riches en carbone peuvent avoir des conséquences plus graves.
La conclusion de Sam Slater et de ses collaborateurs est que les écosystèmes terrestres ont été plus durement touchés par ce dérèglement climatique que les écosystèmes marins, bien que jusqu’à maintenant, le Toarcien ait surtout été connu pour son anoxie océanique. Cependant, ils n’ont pas parlé des répercussions sur la faune terrestre.
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Sam L. Slater et al., Substantial vegetation response to Early Jurassic global warming with impacts on oceanic anoxia, Nature Geoscience 12, 462-467, 2019.
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