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L’extinction de la fin de l’Ordovicien causée par deux réchauffements climatiques et non par une glaciation

Brachiopode

Brachiopode de l'Ordovicien supérieur, de la classe des Strophomenata, avec une tentaculite sur sa coquille. Ce petit animal était aussi un brachiopode.

La première des cinq extinctions de masse du Phanérozoïque s’est produite à la fin de l’Ordovicien, période allant de 485 à 443 millions d’années. Les animaux vivaient encore dans les mers et des plantes primitives, probablement semblables aux hépatiques, commençaient à gagner les terres. Cet événement a provoqué l’extinction de 50 % des genres et de 85 % des espèces d’animaux. Il y a eu deux phases correspondant au développement assez soudain d’une calotte glaciaire sur le Gondwana, autour du pôle Sud, puis à son retrait, durant une courte période appelée le Hirnantien (de 445 à 443 Ma, à la fin de l’Ordovicien). Ainsi la communauté scientifique s’est-elle longtemps accordée sur le fait que l’extinction a été une conséquence de cette glaciation puis de la déglaciation.

Une étude publiée dans le journal Geology remet en cause cette vision des faits. Elle a été rédigée par David Bond de l’université de Hull en Angleterre et Stephen Grasby de la Société de Géologie du Canada. L’extinction est attribuée à des éruptions volcaniques. Elle aurait donc eu la même cause que la crise Permien-Trias, il y a 252 millions d’années. Celle-ci a été provoquée par les trapps de Sibérie, de vastes coulées de lave basaltiques que l’on retrouve aujourd’hui sur le plateau de Poutorana. L’extinction de la fin du Trias, il y a 201 Ma, est également attribuée à une grande province magmatique, dite centre Atlantique. Cette étude s’appuie sur les travaux de deux équipes publiés durant l’année 2017. Elles avaient déjà formulé l’hypothèse audacieuse que des trapps ordoviciens avaient été responsables de la crise biologique et que leur identification restait à faire.

Reconstitution de graptolites présentée par Jörg Maletz, Graptolite reconstructions and interpretations, Springer-Verlag, 2014. Ces sortes de méduses étaient en fait des colonies d’animaux vivant dans des tubes protéiques ou thèques. Ce sont ces « feuilles » dentelées qui pendent dans l’eau.

Investigations en Chine du Sud et au Nevada

Les volcans émettent du mercure. L’enrichissement en mercure des sédiments a été observé durant la crise Permien-Trias, durant celle de la fin Trias, ainsi que durant la crise Crétacé-Paléogène, qui a causé l’extinction des dinosaures non aviens et qui coïncide avec la formation des trapps du Deccan en Inde. L’équipe de David Jones a analysé des sédiments des environs de la ville de Yichang, dans la province chinoise du Hubei, où se trouve le stratotype de l’Hirnantien, initialement défini aux Pays de Galles : la coupe de Wangjiawan. Durant l’Ordovicien, cette région appartenait au bloc du Yangzi (ou Yangtsé), qui était recouvert par la mer. Des argiles noires riches en fossiles de graptolites se sont déposées dessus, en milieu anoxique, puis du calcaire argileux pendant que le niveau de la mer baissait et que l’eau se refroidissait. En anglais, ces argiles noires sont appelées des black shales. Elles comportent de la matière organique qui ne s’est pas dégradée grâce à l’anoxie et qui est susceptible de se transformer en hydrocarbures. Le calcaire argileux comporte des fossiles de la faune à Hirnantia caractéristique de cette période glaciaire. Les argiles qui se sont sédimentées ensuite représentent la remontée post-glaciaire du niveau des mers.

Carte géologique de la région de Yichang, ville chinoise traversées par le Yangzi jiang. Les argiles noires à graptolites (black graptolitic shales) sont en gris. Des récifs d’algues calcifiantes sont indiqués en jaune. D’après Gong et al., 2017.

Un enrichissement en mercure a été mesuré juste avant le dépôt du calcaire argileux et a persisté durant la glaciation. Un second enrichissement s’est produit immédiatement avant l’arrivée des argiles post-glaciaires. Des observations effectuées dans les Monitor Range du Nevada ont corroboré ces mesures. Le territoire des USA appartenait alors à la Laurentia, qui était un continent isolé. Ces émissions de mercure correspondraient à des pics d’activité volcanique.

Une équipe chinoise conduite par Gong Qing a examiné les sédiments de la même région, de manière indépendante, et son article a été publié presque en même temps. La conclusion est similaire. La concentration en mercure et le rapport entre la teneur en mercure et la teneur en carbone organique sont restés stables durant le Katien (de 453 à 445 Ma), l’étage précédent l’extinction, puis ils ont augmenté deux fois, durant la transition Katien-Hirnantien et durant le Hirnantien supérieur. Cela correspond aux deux phases de l’extinction. Les auteurs ont proposé un lien entre des évènements volcaniques repérés en Sibérie orientale (dans la ceinture de Verkhoyansk), en Corée du Sud et en Argentine, mais leurs datations demandent à être précisées.

Paléogéographie de l’Hirnantien supérieur. Les étoiles à cinq branches indiquent des sites étudiés : le Nevada, Dob’s Linn dans l’actuelle Écosse, la Pologne située dans l’ancien continent Baltica et la Chine du Sud, qui se trouvait alors en marge du Gondwana. Les chiffres 1 et 2 dans ces carrés indiquent des lieux d’intense volcanisme : 1 pour Terre-Neuve, sur le micro-continent Avalonia, à l’ouest de la Baltica, et 2 pour le complexe de Suordakh sur l’ancien continent Sibera. non loin de la Laurentia (avec le Nevada et Dob’s Linn) et de la Baltica. D’après Bond & Grasby, 2020.

Deux pics de concentration en mercure liés aux deux phases de l’extinction en Écosse

Les sédiments étudiés par David Bond et Stephen Grasby se trouvent au sud de l’Écosse, dans une petite gorge appelée Dob’s Linn. Les strates qui sont visibles servent depuis 1984 de définition à la base du Silurien (de 443 à 419 Ma), le système qui a suivi l’Ordovicien. Les géologues ont profité de la sécheresse de l’été 2018 pour récolter des roches normalement situées sous un ruisseau, jusqu’alors inaccessibles. À la fin de l’Ordovicien, l’Écosse était située sur la marge de la Laurentia, où elle était voisine du futur Groenland. Le lieu étudié était à 30° de latitude Sud, face à l’océan Iapetus, qui séparait la Laurentia de la Baltica et de l’Avalonia. Il était recouvert par une mer assez profonde, sur le plancher de laquelle se sont déposés des mudstones grises (mélange de sable et d’argiles), puis, à partir de la deuxième phase de l’extinction, des argiles noires dites de Birkhill.

Argiles noires laminées et jaspe (chert) exposés sur la rivière Peel au Yukon, Canada. Ils ont été déposés à la fin de l’Ordovicien et au début du Silurien et ne contiennent pas de fossiles.

La concentration en mercure a augmenté à la limite Katien-Hirnantien, au commencement de la première phase de l’extinction, à partir d’une valeur quasiment indétectable jusqu’à 60 ppb (parties par milliard). Durant la deuxième phase, quand les argiles noires ont commencé à se déposer, elle est montée à 200-300 ppb, puis elle a eu un pic à 500 ppb au début du Rhuddanien (de 443 à 441 Ma), le premier étage du Silurien. Les concentrations d’autres éléments ont été mesurées, dont celles du molybdène et de l’uranium. Elles ont toutes les deux chuté avec l’arrivée des argiles noires, ce qui confirme qu’une anoxie s’est installée. Il est possible que des zones auparavant anoxiques se soient étendues, car la concentration en oxygène dissous dans les océans était plus faible que maintenant. Elle n’atteignait pas la moitié de la concentration actuelle.

Bond et Grasby sont les premiers auteurs à avoir directement lié les deux phases de l’extinction aux pics de concentration en mercure. Ils les ont par conséquent expliquées par du volcanisme, qui aurait connu deux épisodes. Le dioxyde de carbone rejeté dans l’atmosphère aurait provoqué un réchauffement climatique, d’où une anoxie généralisée. Ce processus est bien connu. Cependant, dans le cas de l’Ordovicien, c’est quelque peu difficile à admettre, puisque la fin de cette période est connue pour être glaciaire. Peut-être la chronologie doit-elle simplement être précisée.

D’après une synthèse des études qui ont été publiées à ce sujet, la première phase de l’extinction coïncide avec un pic des températures, même si une glaciation comparable à celle du dernier maximum glaciaire, celui de Würm, était en cours. Celle-ci s’est ensuite aggravée, puis elle a commencé à régresser durant le deuxième pic de volcanisme. À la limite entre l’Ordovicien et le Silurien, elle était toujours présente. Son ampleur est donnée par un indicateur géochimique noté δ¹⁸O, qui est le rapport des concentrations entre l’oxygène 18 et l’oxygène 16 de l’eau de mer comparé à une valeur de référence. Une valeur élevée signifie que les températures sont basses ou que le volume des glaces emmagasinées sur les continents est élevé. À cela, s’ajoute un autre indicateur noté δ¹³C, dépendant des concentrations en isotopes 13 et 12 du carbone. Son augmentation traduit une perturbation du cycle du carbone.

Synthèse sur la crise du Hirnantien, appelée LOME en anglais : Late Orvovician Mass Extinction. La diversité de la faune, représentée en A, a brusquement diminué durant la première phase (pulse 1). Les zones sont celles de graptolites, qui ont été très affectés. La glaciation est représentée en B. La première ligne indique un climat libre de glace (ice free) et la seconde indique le dernier maximum glaciaire. D’autres explications sont données dans le texte. D’après Bond & Grasby, 2020.

Bond et Grasby réfléchissent depuis longtemps aux extinctions. En 2017, ils ont publié un article où ils défendent l’idée que les crises biologiques sont causées par des épisodes de volcanisme intense, par l’intermédiaire d’une acidification des océans, de son empoisonnement par des métaux toxiques, de pluies acides et d’un endommagement de la couche à ozone, qui protège la surface de la Terre des rayons ultraviolets. Pour cela, ils ont étudié vingt crises allant du Cambrien inférieur à la limite Crétacé-Paléogène. Les observations qu’ils ont effectuées sur l’extinction de la fin de l’Ordovicien conforte leur théorie. Ils ont trouvé des cendres volcaniques (transformées en bentonite) dans les strates de Dob’s Linn, qui suggèrent que ces volcans n’étaient pas très éloignés de la Laurentia. Ils ont pensé à la Sibérie, mais aussi à des sills (des intrusions de magma) de Terre-Neuve. Néanmoins, le problème des datations demeure. Elles ne permettent pas d’affirmer que ces épisodes de volcanisme sont contemporains des pics de mercure observés en Écosse.

On peut aussi remarquer que ces épisodes magmatiques sont loin d’avoir eu l’ampleur des trapps de Sibérie et du Deccan, ainsi que de la province magmatique centre Atlantique. Dans la ceinture de Verkhoyansk comme à Terre-Neuve, il n’y a qu’un réseau de sills de quelques mètres de largeur, dont la longueur atteint les 10 km, appelé le complexe de Suordakh. Les dates ont été mesurées à plus ou moins 22 ou 24 Ma.

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David Bond et Stephen Grasby, Late Ordovician mass extinction caused by volcanism, warming, and anoxia, not cooling and glaciation, Geology, 2020.

Gong Qing et al., Mercury spikes suggest volcanic driver of the Ordovician-Silurian mass extinction, Scientific Reports, 13 July 2017.

David S. Jones et al., A volcanic trigger for the Late Ordovician mass extinction?
Mercury data from south China and Laurentia
, Geology, July 2017.

David Bond et Stephen Grasby, On the causes of mass extinctions, Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, Volume 478, pages 3-29, 15 July 2017.

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