Histoire de bulles

Basalte prélevé dans l’océan Indien lors de la mission océanographique Pluriel du navire Marion-Dufresne, © Claire Bassoullet (Université de Brest)

Il y a 100 millions d’années, la faune et la flore terrestres étaient très différentes de celles que nous connaissons aujourd’hui. En particulier, il y avait de nombreux dinosaures et la végétation était luxuriante, tandis que l’atmosphère était sans doute 5 fois plus riche en dioxyde de carbone (CO2) qu’aujourd’hui. Pourquoi un tel changement atmosphérique ? Quels sont les moteurs de la production naturelle de CO2 et d’autres gaz sur une planète tellurique ?

Un scénario bien huilé…
Les atmosphères primitives des planètes telluriques ont été produites essentiellement par le dégazage du manteau planétaire via l’activité volcanique : lorsque du magma atteint la surface de la croûte, des composés volatils comme le CO2 et l’eau s’en échappent. Cependant, les mécanismes précis du dégazage sont encore mal connus.

Contrairement aux autres planètes telluriques, la Terre a conservé une activité volcanique relativement importante, qui a lieu principalement au fond des océans, et la tectonique des plaques a renouvelé la majeure partie de la croûte (les plus vieilles laves océaniques accessibles n’excèdent pas 200 millions d’années) en supprimant de nombreux indices sur l’atmosphère primitive.

Chaque année, il s’échappe plus de 20 km3 de lave basaltique le long des 50 000 km de dorsales océaniques (cf. schéma de l'article "Scanner la Terre". Cette lave contient de nombreuses bulles de gaz de tailles diverses, micrométriques ou millimétriques. L’analyse du gaz par spectrométrie de masse montre que le CO2 y est très majoritaire ; elle suggère que l’activité magmatique des dorsales détermine largement la quantité de CO2 émis de façon naturelle. Le volcanisme renouvelle ainsi le CO2 de l’atmosphère (le diazote et le dioxygène, qui constituent 99 % de celleci, sont renouvelés par les bactéries et les végétaux).

Aujourd’hui, ce flux est de l’ordre de 15 milliards de mètres cubes par an, mais des études de laves anciennes ont suggéré que l’activité des dorsales était de 3 à 5 fois plus importante il y a 100 millions d’années (à une période nommée Crétacé), d’où l’hypothèse d’une atmosphère plus riche en CO2 à cette époque. Les modèles climatiques globaux montrent que la température moyenne sur Terre devait alors être proche de 25°C (soit 10°C de plus qu’aujourd’hui), l’effet de serre augmentant avec la quantité de CO2 atmosphérique. Cette situation permet d’expliquer la présence, près du pôle Nord, de fossiles de crocodiliens vieux de plus de 90 millions d’années.

…puis renversé
Pendant plus de 30 ans, un tel scénario a semblé solide, jusqu’à ce qu’une découverte récente l’ébranle sérieusement.

Une étude menée par notre laboratoire et l’Institut de physique du Globe de Paris montre en effet que l’activité magmatique au Crétacé a été surestimée. L’analyse des variations du champ magnétique terrestre enregistrées dans les laves (cf. Mystères magnétiques), dont les prélèvements couvrent une étendue de fonds océaniques bien plus large qu’auparavant, conduit à un scénario très différent du précédent : il y a 100 millions d’années, l’activité magmatique était plus faible qu’aujourd’hui.

On pourrait penser que la quantité de CO2 expulsé dans l’hydrosphère et l’atmosphère devait alors être inférieure à sa valeur actuelle, mais cette hypothèse n’est guère compatible avec les indices d’un climat chaud lors du Crétacé. L’une de nos recherches visant à élucider ce problème concerne la quantité de gaz libéré par les laves des dorsales, qui s’avère être liée à la vitesse de remontée du magma. Nos travaux ont déjà montré qu’une réduction de 50 % de cette vitesse peut décupler la quantité des bulles de gaz. Contrairement à ce qu’on pensait auparavant, une baisse d’activité magmatique est donc susceptible d’accroître la quantité de CO2 atmosphérique.

Sur les traces du climat

Foraminifères des zones côtières de la mer Blanche : Elphidium margaritaceum (a), Nonion orbiculare (b) et Elphidium albiumbilicatulum (c). © Biaf

Les phénomènes géologiques, comme la formation des montagnes ou des bassins sédimentaires, sont souvent lents à l’échelle de la vie humaine. Pour les comprendre, il est essentiel de dater les structures observables. Or, même s’il est plus simple de prélever des échantillons sur Terre que sur les autres planètes, il n’est pas toujours possible d’en faire une datation absolue (cf. Mots de géologie). C’est le cas des roches sédimentaires qui résultent de l’érosion des roches continentales par l’eau ou l’air et dans lesquelles des restes d’organismes vivants s’accumulent souvent.

Des chronomètres paléontologiques

Dans l’océan, les algues planctoniques utilisent l’énergie solaire pour incorporer le CO2 dissout dans l’eau et construire ainsi leur tissu organique. Après leur mort, ces végétaux tombent ; ceux qui ne sont pas consommés lors de leur chute atteignent les fonds marins où ils nourrissent, entre autres, des organismes unicellulaires enveloppés d’une coquille souvent faite de carbonate de calcium : les foraminifères.

L’intérêt d’étudier les foraminifères a été reconnu par l’Américain Joseph Cushman dès les années 1920 : une espèce donnée étant souvent typique d’une époque géologique, leurs coquilles fossiles peuvent être utilisées pour évaluer l’âge des couches sédimentaires. Les plus vieilles roches sédimentaires ainsi datées remontent à environ 500 millions d’années.

D’autres méthodes de datation existent cependant. L’âge des sédiments très récents (moins de 75 000 ans) peut être obtenu de façon absolue par la teneur des coquilles en carbone 14 (14C) ; celui des dépôts très anciens est parfois estimé relativement à l’âge de roches qui leur sont voisines.

Ce savoir-faire est vite devenu essentiel pour l’industrie pétrolière, car la reconstitution de l’histoire de la subsidence (enfoncement) des bassins sédimentaires aide à localiser les gisements de pétrole.

Des mouchards environnementaux

Dans les années 1970, on s’est rendu compte que les foraminifères sont également de remarquables indicateurs des caractéristiques de leur milieu. Certaines espèces préfèrent les eaux froides et riches en matière organique ; d’autres apparaissent uniquement dans des mers chaudes et plus pauvres.

Ils sont aussi très sensibles aux pollutions ; c’est pourquoi de nombreuses entreprises et gestionnaires des milieux marins se tournent aujourd’hui vers des spécialistes de foraminifères pour surveiller la qualité des eaux.

Les coquilles des 5 000 espèces actuelles et des 50 000 espèces fossiles de foraminifères constituent une manne pour les scientifiques. Dans notre laboratoire, une vingtaine de personnes développent des méthodes de « décryptage » des informations qu’elles contiennent. Ce travail complexe nécessite de collecter des échantillons en divers lieux du monde, à différentes profondeurs de la mer et, pour les fossiles, par carottage de sédiments. Par exemple, le rapport des teneurs en isotopes ¹⁸O et ¹⁶O de l’oxygène nous renseigne sur la température et la salinité de l’eau dans laquelle les foraminifères ont formé leurs coquilles. Très schématiquement, les molécules H2¹⁶O s’évaporent davantage que les H2¹⁸O ; en période glaciaire, comme une grande quantité d’eau évaporée dans l’atmosphère est piégée dans les glaces, l’océan est fortement enrichi en ¹⁸O. Nos études en laboratoire sur des foraminifères d’élevage ont également montré que, pour des raisons physiologiques encore mal connues, plus la température est élevée, plus les coquilles sont appauvries en ¹⁸O.

Grâce à des missions océanographiques régulières et des expériences en laboratoire, nos connaissances écologiques des foraminifères actuels sont sans cesse perfectionnées. Elles nous permettent de reconstituer les paramètres environnementaux (température, salinité, courants marins...) du passé à partir des coquilles fossiles de ces organismes. La température, la salinité et la circulation des océans étant modifiées par les variations climatiques, les foraminifères constituent ainsi des traceurs de tels changements. Leurs coquilles témoignent d’épisodes de réchauffement similaires à celui que nous vivons aujourd’hui. L’avancement de leur étude devrait apporter des informations essentielles à la compréhension des mécanismes biogéochimiques et climatiques, notamment ceux qui sont influencés par la quantité de CO2 (un puissant gaz à effet de serre) présente dans l’atmosphère. Il pourrait alors aider à maîtriser les impacts planétaires des activités humaines