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Crise Crétacé-Paléogène : l’écosystème marin était déjà perturbé avant la chute de la météorite de Chicxulub

Ammonite

Ammonite de l'espèce Grammoceras thouarsense récoltée au Truc de Balduc, près de Mende (France). Toarcien supérieur. @ H. Zell / Wikimédia Commons.

On sait maintenant qu’un astéroïde de quelques dizaines de kilomètres de diamètre s’est écrasé sur la côte du Yucatán au Mexique il y a 66 millions d’années, causant l’un des plus grands cataclysmes que la Terre ait connu depuis des centaines de millions d’années. La découverte d’un cimetière d’animaux tués ce jour, à trois mille kilomètres de là en Amérique du Nord, a été annoncée en avril 2019. Le choc a provoqué à cet endroit un tremblement de terre de magnitude 10 à 11, plus puissant que tous les séismes observés jusqu’à présent, et une pluie de tectites est tombée, avec une vitesse suffisante pour tuer des animaux. On pense que le ciel a été totalement obscurci, assez longtemps pour provoquer l’arrêt de la photosynthèse, la mort de la végétation et l’effondrement de la chaîne alimentaire.

Chute d’astéroïde et éruptions volcaniques

Toutefois, ce cataclysme peut-il être seul à l’origine de l’extinction de masse qui définit la limite entre le Mésozoïque et le Cénozoïque, ou entre le Crétacé et le Paléogène ? La crise a fait d’autres victimes que les dinosaures non aviens (différents des oiseaux). L’autre grand groupe d’animaux disparu a été les ammonites : ces mollusques céphalopodes à coquille enroulée que l’on retrouve fréquemment dans les sédiments du Mésozoïque. Mais l’extinction s’est-elle produite de la même manière dans les océans que sur les continents ? Et surtout, les deux évènements ont-ils bien été contemporains ? Une décalage de plusieurs millénaires serait presque imperceptible à l’échelle géologique mais signifierait que l’une au moins des deux extinctions n’est pas liée à la chute de l’astéroïde.

Celui-ci n’est pas le seul suspect que les scientifiques aient trouvé : d’immenses coulées de lave ont recouvert l’ouest de l’Inde pendant la crise. Leur accumulation constitue les trapps du Deccan. Leur action sur l’environnement ne fait guère de doute, mais jusqu’à présent, il n’existe pas de lien prouvé entre ces éruptions volcaniques et la crise biologique K-Pg (Crétacé-Paléogène).

Les trapps du Deccan par Simplex Paléo. La vidéo est basée sur cet article : La grande extinction de la limite Crétacé-Paléogène causée par des éruptions volcaniques ou par une chute de météorite ?

Une nouvelle étude publiée dans la revue Geology, sous la direction de Benjamin Linzmeier de la Northwestern University de l’Illinois, a montré que la faune marine était déjà stressée quand ce cataclysme s’est produit, parce que le pH de l’eau avait diminué. On parle d’acidification, mais de manière trompeuse car cela n’implique pas que l’eau soit devenue acide – avec un pH inférieur à 7. Au début de l’ère industrielle, le pH des eaux superficielles était de 8,25 et il est passé à 8,14 en raison de l’augmentation de la teneur en dioxyde de carbone atmosphérique.

Ce gaz se dissout dans l’eau et une petite part des molécules de CO₂ se dissocient, provoquant une augmentation de la concentration d’ions carbonate CO₃²⁻ et une baisse concomitante du pH. Or celle-ci entraîne une dissolution accrue des carbonates, par une réaction chimique semblable à celle qui rend un calcaire effervescent à l’acide chlorhydrique. Le résultat est que les animaux à coquille en carbonate ont plus de mal à la synthétiser. C’était le cas des ammonites, dont les coquilles étaient en aragonite CaCO₃. La formule de ce minéral est la même que celle de la calcite, le principal minéral du calcaire, mais la structure cristalline en est différente.

Localisation et carte géologique de l’île Seymour. J. Alaistair Crame et al., The Early Origin of the Antarctic Marine Fauna and Its Evolutionary Implications, PLoS ONE, December 10, 2014.

La limite Crétacé-Paléogène sur une île de l’Antarctique

Les chercheurs ont étudié des fossiles de l’île Seymour au large de la péninsule Antarctique. Sur ce continent, les terres non recouvertes par la glace sont rares mais ces affleurements sont d’excellente qualité, puisque la végétation n’y est quasiment pas présente. Cette île est constituée de sédiments accumulés dans un environnement marin durant des dizaines de millions d’années. Ils ont été inclinés de 8 à 10° vers l’est et érodés, de sorte la succession de couches apparaît à la surface. Elles sont d’autant plus anciennes qu’elles sont à l’ouest. De ce côté, se trouve la formation de López de Bertodano, constituée de 1 190 mètres d’une siltite friable et sabloneuse avec quelques couches de galets. Le silt est un sable très fin, dont les grains ne sont pas visibles à l’oeil nu. Ils sont cependant plus grands que des minéraux argileux.

Les fossiles pris dans cette siltite ont permis de la dater du Campanien (de 83,6 à 72,1 Ma), l’avant-dernier étage du Crétacé, au Paléocène (de 66 à 56 Ma), la première série du Cénozoïque. La crise Crétacé-Paléogène y a donc été enregistrée. C’est une ligne notée KPB sur la carte géologique. La sédimentation s’est arrêté durant le Paléocène, quand la mer s’est retirée. Les terres émergées ont alors été érodées, mais la mer est revenue et a déposé la couche de silt puis de sable de Sobral, au sud-est de l’île.

La partie inférieure de la formation López de Bertodano comprend peu de fossiles de grande taille. La faune, qui vivait dans un environnement marin peu profond, près d’un delta ou d’un estuaire, est dominée par l’annélide Rotularia. La profondeur de l’eau s’est ensuite accrue. Elle correspondait à celle d’un plateau continental. Les mollusques bivalves, dont Cucullea antarctica et Lahilla larseni, et les ammonites ont été de plus en plus présents. Il ne faut pas oublier qu’à la fin du Crétacé, le climat n’était pas encore polaire. Du bois fossilisé montre que des forêts poussaient sur le continent. Une régression (un retrait de la mer) s’est manifesté 30 centimètres avant la limite K-Pg, sans que cette zone n’ait été émergée. Après la crise, les deux bivalves cités sont toujours présents et des gastéropodes ont également survécu, mais les ammonites ont disparu. Il n’y a en fait plus de céphalopodes et la macrofaune a été notablement réduite.

Carte géologique de la formation López de Bertodano et photos des deux bivalves Lahillia et Cucullaea, d’après Linzmeier et al., 2019.

Mesure des isotopes du calcium dans des coquilles de bivalves

Ces deux bivalves ont été utilisés lors des recherches. Les scientifiques ont mesuré le rapport ⁴⁴Ca/⁴⁰Ca de deux isotopes stables du calcium de leurs coquilles, comparé à celui de l’eau de mer actuelle. Le calcium est un élément de numéro atomique 20 : chaque noyau a 20 protons. Il s’y ajoute le plus souvent 20 neutrons, ce qui donne le calcium 40. Le calcium 44, avec 24 neutrons, est un peu plus lourd. De légères variations du rapport ⁴⁴Ca/⁴⁰Ca ont été observées avant et à travers la limite K-Pg. Elles signifient que les mollusques n’ont plus absorbé les isotopes 40 et 44 du calcium dans les mêmes proportions qu’avant la crise. Il n’est pas simple d’expliquer pourquoi.

L’altération des roches continentales en calcaire, qui sont dissoutes par l’eau de pluie chargée en CO₂, apporte du calcium dans les océans. D’un autre côté, des carbonates précipitent et se sédimentent au fond des mers, si bien que du calcium est retiré des océans. Les variations observées du rapport ⁴⁴Ca/⁴⁰Ca pourraient s’expliquer par des déséquilibres entre l’apport de calcium par l’altération des calcaires continentaux et son retrait par la sédimentation des carbonates, mais cette explication a été écartée par les scientifiques. Ils ont également exclu des variations du fractionnement (c’est-à-dire de la répartition) global du calcium entre l’eau de mer et les minéraux carbonatés.

Il reste la possibilité que les mollusques aient réagi à une modification de la chimie des carbonates dans l’eau de mer. On sait que cela peut se produire, bien que tous les mécanismes en jeu ne soient pas connus. Il faut aussi examiner le déroulement des évènements. Avant la limite K-Pg, le rapport ⁴⁴Ca/⁴⁰Ca a connu une premier hausse due à un réchauffement des profondeurs marines. Les éruptions du Deccan avaient déjà commencé mais elles n’en sont probablement pas responsables. La quantité de lave émise s’accroît ensuite, puis une baisse du rapport ⁴⁴Ca/⁴⁰Ca se produit. Une extinction mineure est observée en même temps dans la faune marine. Le principal pic d’émission de lave, antérieur à la limite K-Pg, coïncide avec une deuxième hausse du rapport ⁴⁴Ca/⁴⁰Ca. Le rejet de CO₂ par les trapps du Deccan a pu prolonger cette hausse et stresser les organismes à coquille, provoquer une saturation de l’eau en carbonate et la chute du rapport ⁴⁴Ca/⁴⁰Ca qui s’est produite juste avant la limite K-Pg.

Ainsi, l’analyse de ces coquilles a révélé ce qui pourrait bien être une trace tangible de la perturbation de l’écosystème marin par le volcanisme des trapps, avant la chute de l’astéroïde. C’est une confirmation de ce dont on pouvait raisonnablement se douter. Les auteurs citent un article auquel à participé Gerta Keller, une fervente défenseuse de la théorie des trapps, sous la direction de Blair Schoene. Une nouvelle datation de cendres volcaniques y a été présentée. Quatre grands épisodes éruptifs ont été distingués, le plus important précédent l’impact. L’avance a été estimée à plusieurs dizaines de milliers d’années.

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Benjamin J. Linzmeier et al., Calcium isotope evidence for environmental variability before and across the Cretaceous-Paleogene mass extinction, Geology, October 28, 2019.

https://pubs.geoscienceworld.org/gsa/geology/article/48/1/34/574630/Calcium-isotope-evidence-for-environmental

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