Des variations climatiques d’origine astronomique il y a 1,4 milliard d’années

Il y a 1,4 milliard d’années, sur le craton de Chine du Nord, une série sédimentaire a enregistré des variations de climat corrélées aux variations des paramètres orbitaux de la Terre : les cycles de Milankovitch. Cette découverte a été effectuée par une équipe de chercheurs à laquelle a participé l’éminent géologue Donald E. Canfield de l’Université de Danemark du Sud, spécialiste de la chimie des océans, sous la direction de Zhang Shuichang de la Société nationale du pétrole de Chine. Elle est précieuse puisque l’on ne sait quasiment rien sur les climats précambriens, mis à part que quelques grandes glaciations se sont produites durant les 4 milliards d’années de cette très longue période : les épisodes « Terre boule de neige ». De plus, le géophysicien Stephen R. Myers s’est basé sur ces observations pour en déduire qu’à cette époque, un jour terrestre ne durait que 18 heures et que la Lune était à 340 000 km de la Terre au lieu des actuels 384 000 km.

La Terre au Mésoprotérozoïque, avant l’apparition des animaux

On ne connaît aucune glaciation durant le Mésoprotérozoïque, une ère allant de 1,6 à 1 milliard d’années avant le présent. Elle fait partie du « milliard ennuyeux », commencé il y a 1,8 milliard d’années et terminé il y a 800 millions d’années, appelé ainsi parce qu’il ne s’est pas passé grand-chose. Elle débute après l’assemblage du premier supercontinent, appelée Nuna ou Columbia. De grandes chaînes de montagnes se sont élevées. Elles ont été peu à peu aplanies par l’érosion. Les cours d’eau ont emporté des galets, du sable qui s’est déposé sur les plaines et des argiles qui sont atteint les mers et les océans. De tels sédiments sont qualifiés de terrigènes parce qu’ils résultent de l’altération de continents. Ces immenses espaces étaient alors désertiques et ils le resteraient pendant encore plus d’un milliard d’années. Pour s’imaginer à quoi ils ressemblaient, il suffit de prendre les déserts actuels en retirant toute trace de végétation. La différence est que des cours d’eau circulaient parfois entre les dunes, alors que les déserts de sable d’aujourd’hui sont des zones arides.

L’oxygène était présent dans l’océan superficiel et dans l’atmosphère, mais en faible quantité. Il y a 2 milliards d’années, des organismes pluricellulaires primitifs rampaient sur le sable. Rien n’indique qu’ils étaient toujours présents durant le Mésoprotérozoïque. La vie restait cantonnée dans les mers, mais il y avait suffisamment de matière organique pour que des argiles noires (black shales en anglais) se sédimentent dans les milieux anoxiques. Les hydrocarbures se forment dans de telles argiles. Les organismes unicellulaires y étaient dominants, mais il y avait des eucaryotes (des cellules à noyau), qui étaient bien plus complexes que les bactéries. Les algues rouges, des organismes pluricellulaires, sont probablement apparues durant le Mésoprotérozoïque. Ce milliard d’années n’était donc pas si ennuyeux qu’on ne l’avait estimé.

La formation Xiamaling en Chine du Nord

Au sein du supercontinent Nuna/Columbia, le craton de Chine du Nord était situé du côté occidental, dans l’hémisphère Nord. La formation Xiamaling, qui comprend les sédiments étudiés par l’équipe de Zhang Shuichang, se trouvait entre 10° et 30° de latitude Nord, donc en zone intertropicale ou tropicale. Il y a 1,4 milliard d’années, Nuna/Columbia était en cours de dislocation et la Chine du Nord était bordée du côté septentrional par un océan ouvert au début du Mésoprotérozoïque. La marge de ce micro-continent était immergée. C’était un plateau continental sur lequel des sédiments se déposaient. La formation Tieling, qui a commencé à se déposer il y a 1 440 Ma, comporte de la dolomite, une roche composée de carbonate de calcium et de magnésium, avec des intercalations de lits argileux, puis du calcaire stromatolitique. Les stromatolites sont des rochers à structure finement laminée synthétisés par des colonies de cyanobactéries. Dans ce milieu marin peu profond et faiblement oxygéné, de la glauconie précipitait. C’est un sédiment argileux à la couleur verte caractéristique.

Il y a 1 400 Ma, un soulèvement s’est produit. La formation Tieling a été exposée à l’air libre. On y voit des lits de latérite caractéristiques de l’altération des roches en climat tropical. Les oxydes de fer leur donnent leur couleur rouge. La mer est ensuite revenue avec une profondeur dépassant les 100 mètres et les sédiments de la formation Xiamaling se sont déposés. La régression (le retrait de la mer) a peut-être été causée par l’initiation d’une subduction : le plancher du jeune océan s’est mis à s’enfoncer sous la Chine du Nord, provoquant son soulèvement. En langage géologique, la marge passive de ce micro-continent s’est transformé en une marge active. Comme c’est toujours le cas, un arc volcanique est apparu. En arrière de cet arc, une extension de la croûte continentale a fait revenir la mer. Cette interprétation n’est pas certaine, car si les cendres volcaniques sont présentes dans la formation de Xiamaling et ont permis des datations, elles sont peu abondantes.

Cette formation a 360 mètres d’épaisseur. Elle comprend quatre unités. La première, la plus profonde, est composée d’une succession de mudstone (mélange de sables et d’argiles) alternativement pauvres et riches en oxydes de fer. Dans l’unité 3, une alternance d’argiles noires et de jaspe (du chert en anglais) est visible. Tandis que les mudstones et les argiles sont terrigènes, le jaspe, principalement constituée de silice, a précipité dans l’eau. Dans l’unité 2, les argiles noires sont intercalées avec des mudstones gris et noirs, et dans l’unité 1, au sommet de la série sédimentaire, elles le sont avec des argiles vertes. Sauf dans la première unité, les argiles noires sont très communes et comportent jusqu’à 20 % en poids de carbone organique. C’est l’unité 3 qui est la plus riche. Malgré leur âge de 1,4 milliard d’années, ces couches géologiques ont été peu transformées. Situées au nord de Beijing, elles sont aisément accessibles.

Les cellules de Hadley et la zone de convergence intertropicale

Les alternances de sédiments traduisent évidemment des variations périodiques du climat de cette région, mais il faut pouvoir expliquer comment le climat agit sur la sédimentation. Étant donné la latitude de cette région durant le Mésoprotérozoïque, elle était sous l’influence des cellules de Hadley. Leur fonctionnement était le même qu’aujourd’hui. La Terre reçoit plus de rayonnement solaire, et donc plus de chaleur, dans la zone intertropicale qu’aux hautes latitudes. Le rôle de la machine climatique est d’évacuer cette chaleur vers les pôles. À l’équateur, un air chaud et chargé d’humidité s’élève jusqu’au sommet de la troposphère. La condensation de la vapeur d’eau en altitude fait tomber d’abondantes pluies. L’air s’écarte de l’équateur, dans les deux hémisphères, jusqu’à 30°, puis redescend en créant une zone sèche de hautes pressions. Il y a un mouvement de retour de l’air vers l’équateur, où les pressions sont basses, mais ces vents sont déviés par la rotation de la Terre (voir la force de Coriolis). Elle les fait souffler vers l’ouest. Ce sont les alizés, qui se chargent en humidité quand ils passent au-dessus des océans et restent secs quand ils survolent les continents. La circulation de l’air entre l’équateur et les tropiques se fait ainsi dans des cellules dites de Hadley.

En fait, les alizés ne convergent pas sur l’équateur géographique, mais dans la zone de convergence intertropicale (la ZCIT), qui oscille entre les deux hémisphères au cours de l’année. Les cellules de Hadley accompagnent ce balancement. Durant l’été boréal, la ZCIT monte dans l’hémisphère Nord parce que c’est là que l’insolation atteint son maximum. Elle descend dans l’hémisphère Sud pendant l’été austral, mais à des latitudes moindres parce que cet hémisphère contient moins de surfaces continentales.

Quels paléoclimats sur le bassin sédimentaire de Xiamaling ?

Que passait-il donc dans le bassin sédimentaire de Xiamaling ? Quand la ZCIT séjournait dessus, les pluies étaient intenses et les vents faibles. Cela intensifiait le ruissellement sur le craton de Chine du Nord et donc l’apport de sédiments terrigènes. Un déplacement vers le sud de la ZCIT permettait aux alizés de souffler, situation qui engendrait des upwellings côtiers. Ce sont des remontées d’eaux profondes amenant des sels nutritifs à la surface, favorables au phytoplancton. La production de matière organique était alors importante, et en l’absence d’oxygène dans la mer, elle pouvait former des argiles noires en se sédimentant. Quand le bassin de Xiamaling se trouvait sous la branche descendante d’une cellule de Hadley, la situation était anticyclonique et l’évaporation de l’eau de mer était élevée. Cela entraînait la précipitation de silice, fortement présente dans les mers du Protérozoïque (de 2 500 à 541 Ma). Les jaspes de cette unité sont donc des évaporites. La production de sédiments terrigènes et de matière organique était en revanche faible.

Depuis le Quaternaire, commencé il y a 2,58 Ma, la Terre connaît une succession de périodes glaciaires et interglaciaires. Elle a été expliquée par les variations des paramètres orbitaux de la Terre. L’inclinaison de son axe de rotation (son obliquité) varie entre 21°30’ et 24°30’. Quand elle augmente, le contraste entre les saisons s’accroît et la ZCIT monte plus au nord durant l’été boréal et descend plus au sud durant l’été austral. L’orbite de la Terre est une ellipse dont l’excentricité (l’aplatissement) varie. Cela fait légèrement varier la quantité totale de rayonnement solaire qu’elle reçoit. La précession de équinoxes influe sur la durée de la « saison chaude » (printemps + été) et de la « saison froide » (automne + hiver). Les saisons chaudes longues sont favorables à l’apparition de calottes glaciaires, car l’énergie solaire journalière reçue est faible. Le mécanisme exact de ces glaciations et de ces déglaciations a été difficile à comprendre, mais c’est un phénomène cyclique comportant plusieurs périodes qui correspondent à celles des paramètres orbitaux de la Terre. Ainsi, l’obliquité varie avec une période de 41 000 ans et cette période est également celle des premières glaciations.

Durant le Mésoprotérozoïque, il n’y a pas eu de glaciation. Ce qui a fait varier la sédimentation, dans la formation Xiamaling, ce sont les déplacement de la ZCIT et des cellules de Hadley. Néanmoins, comme avec les glaciations du Quaternaire, les scientifiques ont démontré l’origine astronomique de ces variations en comparant les périodes. Deux couches de cendres volcaniques dans les unités 3 et 2 ont été datées avec une grande précision à 1 392 et 1 384 Ma. Elles sont donc séparées de 8 millions d’années. Puisque la seconde se situe à 52 mètres au-dessus de la première, la vitesse de sédimentation a été de 0,66 centimètre par millénaire. Dans l’unité 3, plusieurs périodes, d’abord exprimées en centimètres, ont pu être converties en milliers d’années. Il y en a une de 202 cm, quatre autres de 6, 8, 10 et 16 cm et d’autres comprises entre 42 et 62 cm. La première correspond à la période longue de l’excentricité de l’orbite terrestre, qui est de 405 millénaires. Toutes les autres ont des correspondances astronomiques. Or, selon les astronomes Jacques Laskar et André Berger, l’orbite terrestre n’a pas changé, même sur de très longues périodes de temps. Son excentricité variait il y a 1,4 milliard d’années comme maintenant. Une seule période reste énigmatique : celle de 130 cm, qui correspond à 260 millénaires. Elle pourrait être due aux mouvements de la ZCIT.

Quand les sédiments de l’unité 3 se sont déposés, le bassin de Xiamaling se trouvait sous la branche descendante d’une ancienne cellule de Hadley. Le climat était donc aride et de la silice précipitait dans l’eau de mer, mais des changements périodiques permettaient des dépôts de matière organique. Le passage à l’unité 2 traduit sans doute une migration vers le nord de la ZCIT et celle de la cellule de Hadley. Le bassin de Xiamaling se trouvait alors sous les influences alternées des upwelling côtiers et des pluies de la ZCIT. Celle-ci a dû ensuite retourner vers le sud, provoquant le passage à l’unité 1. Mais ce déplacement a pu être en partie relatif : la dérive tectonique du craton de Chine du Nord a peut-être joué, puisqu’un laps de temps de plusieurs millions d’années s’est écoulé.

La concentration en oxygène dans l’atmosphère terrestre

Zhang Shuichang, Donald Canfield et leur équipe ne se sont pas arrêtés là. En analysant les métaux présents en traces et sensibles aux conditions d’oxydo-réduction de l’unité 3, ils ont estimé que la concentration en oxygène dans l’atmosphère était de 4 à 6 % de la concentration actuelle. L’étude de la minéralisation du carbone dans l’unité 1 leur a fourni un intervalle allant de 4 à 8 %. C’était beaucoup plus qu’on ne l’avait estimé auparavant. En 2014, l’équipe de Noah Planavsky avait calculé qu’elle était inférieure à 0,1 % de la concentration actuelle. Elle avait utilisé les isotopes du chrome dans des sédiments du Protérozoïque prélevés en Chine, en Australie et en Amérique du Nord. Cette concentration est trop faible pour permettre aux animaux de vivre. Si elle est supérieure à 4 %, c’est possible, puisque les éponges, qui sont les animaux les plus primitifs, demandent une concentration supérieure à 1 %. Les annélides pourraient avoir besoin d’encore moins d’oxygène. Ce n’est donc pas le manque d’oxygène qui a empêché les animaux d’apparaître durant le Mésoprotérozoïque. D’après la phylogénie moléculaire, ils sont apparus il y a 780 Ma.

Ces travaux ont été l’objet d’une discussion entre les deux équipes de chercheurs dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA.

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Zhang Shuichang et al., Orbital forcing of climate 1.4 billion years ago, PNAS, March 24, 2015.

Zhang Shuichang et al., Sufficient oxygen for animal respiration 1,400 million years ago, PNAS, February 16, 2016.

Zhang Shuichang et al., The Oxic Degradation of Sedimentary Organic Matter 1.4 Ga Constrains Atmospheric Oxygen Levels, Biogeosciences Discussions, 20 October 2016.

Qu Yongqiang et al., Geological characteristics and tectonic significance of unconformities in Mesoproterozoic successions in the northern margin of the North China Block, Geosciences Frontiers 5, 127-138, 2014.

Stephen R. Myers & Alberto Malinverno, Proterozoic Milankovitch cycles and the history of the solar system, PNAS, June 19, 2018.