COUPLAGE DES EVENEMENTS GEOLOGIQUES ET BIOLOGIQUES

L'histoire de la vie est marquée par l'apparition et la disparition continues d'espèces. A certaines périodes ce renouvellement s'accélère de manière brutale. Nous allons essayer de comprendre les relations qui existent entre les crises biologiques et les événements géologiques.

Thèmes traités et activités pédagogiques (durée: 1,5 semaine):

La limite Crétacé-Tertiaire: un événement biologique majeur

Les événements géologiques à la limite Crétacé-Tertiaire

L'avenir de la planète

1 La limite Crétacé-Tertiaire: un événement biologique majeur

1.1 LES CRISES BIOLOGIQUES, REPERES CHRONOLOGIQUES MAJEURS DE L'HISTOIRE DE LA VIE

Le document ci-contre présente l'évolution du nombre de familles animales au cours du temps. Cliquez sur l'icône pour l'agrandir.

En analysant ce document dites ce que l'on constate quant à l'évolution du nombre de familles animales au cours du Carbonifère et du Permien.

Que se passe-t'il à la fin du Permien? Pouvez-vous chiffrer les faits?

Les phénomènes constatés se sont-ils reproduits au cours de l'histoire de la Terre? de façon aussi marquée?

Comment peut-on appeler ces moments dans l'évolution de la vie? En confrontant ces moments à la division des temps géologiques en ères et périodes, pouvez-vous justifier qu'ils constituent des repères chronologiques majeurs?

Donnez une définition d'une crise biologique. Faites une liste des principales crises. Quelle a été la plus importante?

1.2 LA CRISE BIOLOGIQUE CRETACE-TERTIAIRE

1.2.1 Dans les océans: le site de Bidart

Une telle étude peut être menée dans de nombreux sites de par le monde: celui de Bidart sur la côte basque près de Bayonne est significatif. La plage d'Eretegia (Pavillon Royal) nous montre un affleurement avec la limite C-T (Crétacé-Tertiaire) entre la fin du Mésozoïque (Crétacé supérieur) et le début du Cénozoïque (Paléocène).



Deux techniques d'étude des fossiles: le lavage des marnes et la réalisation d'un frottis
Les formations sédimentaires de Bidart (marnes, calcaires et argiles) contiennent de très nombreux fossiles que l'observation à la loupe ou au microscope permet d'identifier.

Pour avoir un aperçu global des microfossiles qui vont nous occuper dans cette manipulation et qui appartiennent à ce qu'il est convenu d'appeler les Protistes, vous consulterez les pages consacrés à ces êtres vivants dans le site "http://www.univ-rouen.fr/M2C/albums/protistes.html"

Les microfossiles trouvés dans les marnes du Maastrichtien et du Danien de la région de Bidart peuvent-ils être utilisés comme éléments de datation de ces terrains?
Ce problème fait partie des sujets des évaluations des capacités expérimentales dont vous pourrez trouver le détail ici:
"les microfossiles d'une marne"

Des fragments marneux sont écrasés au mortier dans un peu d'eau et tamisés dans une colonne de tamis (diamètres: 250µm, 500µm, 1000µm). Les fractions sont lavées sous l'eau et le refus de chaque tamis est sèché au sèche-cheveux. Les microfossiles sont observés à la loupe binoculaire.

Un échantillon de roche est gratté avec une aiguille lancéolée: la poudre recueillie est déposée sur une lame de verre. Une goutte d'eau est ajoutée, l'ensemble est séché au sèche-cheveux. Une goutte de Baume du Canada est déposée sur la lame encore tiède qui sera recouverte d'une lamelle. Les nannofossiles sont observés au microscope.

Identifiez la faune observée à l'aide des documents fournis.


On observe mieux la limite C-T sur le document ci-dessous. Quelques représentants fossiles rencontrés dans les échantillons de roches à la limite C-T y sont photographiés.



Le lavage de marno-calcaires de Bidart, à trois niveaux différents, a permis de faire, après observations microscopiques, les dessins suivants:




Faites une analyse statistique (en %) de l'évolution de la microfaune du Maastrichtien au Thanétien après avoir identifié les familles de nannofossiles observés qui appartiennent dans leur grande majorité au groupe des Foraminifères (exceptés les Ostracodes).
Représentez cette évolution sur un graphe où vous indiquerez la limite entre ces deux étages (utilisez une échelle stratigraphique).


Des études de ce type menées sur un plus grand nombre d'échantillons permettent de construire des colonnes biostratigraphiques.

Nous savons que pour préciser l'âge d'un événement, il faut disposer d'un outil permettant un repérage dans le temps, d'un marqueur chronologique: en biostratigraphie, ce sont les fossiles.

Cependant il existe de "bons" et de "mauvais" fossiles. Un bon fossile stratigraphique est une espèce qui évolue vite (faible extension temporelle ou verticale), qui a une grande extension géographique ou horizontale et dont les représentants sont nombreux; c'est pourquoi les microfossiles ont un intérêt considérable en biostratigraphie.

En réalité, tout fossile est porteur d'un double message: l'un stratigraphique, l'autre écologique. De ce fait la distinction fossile stratigraphique-fossile de faciès est quelque peu simpliste.
Un fossile de faciès est un fossile qui caractérise un milieu de sédimentation et qui, à l'inverse du précédent, a une faible extension horizontale associée à une grande extension verticale.
La biostratigraphie utilise donc les variations quantitatives de tous les fossiles.
Dans le cas de Bidart une comparaison entre Foraminifères benthiques et planctoniques apporte des renseignements intéressants sur les paléo-environnements (figure ci-contre).


Au vu des documents ci-dessus indiquez quels sont les indices qui fondent l'idée de crise biologique à la limite C-T.
Quels sont les microfossiles qui permettent de dater avec certitude la période avant la crise et la période après la crise?
Quel événement marin peut-on suggérer pour expliquer la variation brutale de la microfaune à la fin du Maastrichtien? Il s'agira de vérifier cette hypothèse avec d'autres indices.





1.2.2 Sur les continents la découverte de fossiles est limitée, car les milieux de sédimentation sont réduits (fleuves, lacs) et les conditions de fossilisation rarement remplies. De plus leur datation est rendue difficile par de nombreux remaniements.

Des sites fossilifères situés dans le Montana aux Etats-Unis (Hell Creek, Willow Creek) recèlent des fossiles de Mammifères et de Dinosaures: de petits cours d'eau ont en effet entaillé les formations géologiques à la limite du Crétacé et du début du Tertiaire, ce qui a permis, au regard de la stratigraphie, d'établir la répartition des types de fossiles au cours du temps (documents de gauche ci-dessous).

Par ailleurs l'étude des reptiles mésozoïques (=de l'ère secondaire) et de la répartition dans le temps de quelques groupes est faite dans le document de droite ci-dessous.


Cliquez sur les documents pour les agrandir


Montrez que l'étude des formations continentales confirme l'existence d'une crise biologique à la limite Crétacé-Tertiaire.

1.3 DIVERSIFICATION DES ESPECES APRES LA CRISE

1.3.1 Le cas des Mammifères:

Pour en savoir plus sur l'histoire des Mammifères, consultez l'article de Didier GRANDPERRIN - Professeur au Lycée Pothier - Muséum des Sciences naturelles d'Orléans.

Au crétacé, les quelques espèces de Mammifères étaient reléguées dans des niches écologiques réservées à des animaux de petite taille à régime insectivore ou phytophage. Les Mammifères sont connus depuis le début de l'ère secondaire, tel le Morganucodon, de la taille d'un rat.

La prolifération de ce groupe, la radiation de ses espèces au début du tertiaire, se sont effectuées à partir de quelques taxons qui ont survécu à la crise (espèces opportunistes) et qui ont occupé les niches écologiques laissées vacantes par les espèces disparues: par exemple le Smilodon du tertiaire occupe la niche des grands sauriens carnivores comme le Tyrannosaure.
On note d'ailleurs une certaine convergence de formes, d'adaptation entre deux groupes: crocs longs et mâchoire puissante, molaires coupantes, griffes.
Depuis le tertiaire, les mammifères présentent une grande diversité de formes, occupant des niches écologiques variées: un bel exemple est fourni par les Primates que nous étudierons plus loin dans le programme.

1.3.2 Extinction de certaines espèces suivie d'une diversification d'espèces survivantes chez les foraminifères

A la fin du Crétacé, de nombreuses espèces de Foraminifères disparaissent, puis au Tertiaire, le nombre d'espèces de chaque groupe devient à nouveau aussi important qu'au Crétacé. Ce sont donc de nouvelles espèces qui se sont diversifiées: c'est à partir des globigérines de petite taille (Eoglobigerina) que vont se diversifier les espèces du tertiaire. Des groupes nouveaux comme les nummulites vont apparaître.

2 Les événements géologiques à la limite Crétacé-Tertiaire

2.1 PARTICULARITES DE LA LIMITE C-T:

2.1.1 Des marqueurs géochimiques:

L'iridium est un métal rare de la famille du platine. Il existe en quantité très limitée à la surface du globe, mais est abondant dans les chondrites (météorites pierreuses contenant des sphérules métalliques ou chondres) et dans certains produits du volcanisme.
La diminution du rapport 13C/12C ou 13C est le signe d'une diminution de la productivité primaire des océans. En effet, les végétaux absorbent, par photosynthèse, préférentiellemnt l'isotope 12C et appauvrissent ainsi le milieu en cet isotope.

La teneur en carbonates des sédiments est directement corrélée à l'abondance des êtres planctoniques présents dans le milieu au moment de sa formation.


Quelles hypothèses peut-on formuler pour expliquer la distribution de l'iridium, l'évolution du rapport 13C/12C et celle de la teneur en carbonates à la limite C/T?


2.1.2 Des marqueurs géologiques:
Consultez le site "MIAC - CCMI" à l'adresse suivante pour trouver les documents proposés ci-dessous:
http://miac.uqac.ca/MIAC/chicxulub.htm

Quartz choqués: les argiles de la limite C-T contiennent parfois des grains de quartz présentant un aspect singulier au microscope. De fines stries entrecroisées témoignent de modifications de la structure cristalline, manifestement sous l'effet d'un choc très intense. De telles structures ont été également observées dans les roches des cavités creusées par les tirs nucléaires souterrains expérimentaux.
Sphérules de verre: on trouve aussi très fréquemment des billes de verre de diamètre inférieur à 4mm dans la couche d'argile, présentant toutes les caractéristiques d'un verre d'impact ("gouttes" de roches fondues).
Magnétites nickelifères (ou spinelles nickélifères): des cristaux de magnétite riche en Fe, Mg, Ni,...abondent à la base de la couche d'argile. N'existant ni sur Terre, ni dans les météorites, les géologues ont montré qu'ils se forment lorsqu'une météorite entre en fusion en traversant l'atmosphère à grande vitesse.

2.2 UN EPISODE VOLCANIQUE A L'ECHELLE DE LA PLANETE

2.2.1 Certaines éruptions volcaniques influent sur le climat de la Terre:

En 1991, l'éruption aux Philippines du Pinatubo a provoqué un nuage de cendres et de gaz qui s'est élevé à plus de 20km et a été entraîné par les mouvements de la stratosphère.
Les documents ci-dessous montrent:

les effets du volcanisme sur l'atmosphère,
la progression du nuage de dioxyde de soufre autour du Pacifique, vue par satellite, entre le 17 et le 19 juin 1991,
sa diffusion plusieurs semaines après l'éruption.





Quelles conséquences prévisibles sur les chaînes alimentaires les effets d'une éruption cataclysmique peuvent-ils engendrer?


2.2.2 Les traces d'un gigantesque épisode volcanique à la limite C-T:

Les Trapps du Deccan (vaste plateau de 2 400 m d'épaisseur au nord-ouest de l'Inde) sont constitués d'épanchements basaltiques recouvrant un million de km2. Les éruptions correspondantes, qui ont duré plus de 0,5 MA, doivent être reliées à l'activité, il y a 65 MA, d'un point chaud actif aujourd'hui à l'aplomb de la Réunion.


Certains chercheurs (Vincent COURTILLOT) avancent l'hypothèse d'une cause volcanique, donc planétaire, à l'origine de la crise C-T. Présentez les arguments en faveur de cette hypothèse.

2.3 UN EVENEMENT EXTRA-TERRESTRE

Les traces d'un impact météoritique:

Dans les années 1960, une société pétrolière mexicaine (PEMEX) met en évidence, à la suite de forages dans la péninsule du Yucatan, près de Chicxulub, une structure géologique surprenante: sous une couche carbonatée de 1 000 m d'épaisseur, une roche énigmatique, à caractères volcaniques, mélange de fragments de socle granitique et de sédiments carbonatés agglomérés dans une gangue vitreuse.

Au début des années 1980 des chercheurs américains (Glen PENFIELD) proposent l'hypothèse que la structure de Chicxulub serait un énorme cratère d'impact météoritique. Les roches décelées par la PEMEX seraient des éléments fondus lors de l'impact.

Des travaux récents (ALVAREZ 1995 et CLAEYS 1996) et plus récents encore (Yosio NAKAMURA, Ben YATES, Gail CHRISTESON, Richard BUFFLER, John BRITTAN 1999-2001) confirment cette hypothèse par des mesures d'anomalies gravimétriques, magnétiques et sismiques: une structure circulaire de 240 à 300 km (astroblème) correspondrait à un cratère creusé par une météorite de 10 km de diamètre percutant le globe sous un angle de 20 à 30° à la vitesse de 20 km/s.


Présentez, comme précédemment, les arguments en faveur de l'hypothèse d'une origine météoritique, donc extra-terrestre, de la crise C-T. Comment le cratère de Chicxulub s'est-il comblé?

3 L'avenir de la planète

3.1 INFLUENCE DE L'HOMME SUR LA BIODIVERSITE

3.1.1 La déforestation touche les forêts tropicales qui auront disparu dans 100 ans au rythme actuel. Réservoirs immenses d'espèces aussi bien végétales qu'animales, leur destruction porte atteinte à la biodiversité par l'augmentation du CO2 atmosphérique (déficit de photosynthèse correspondant), la destruction des sols par érosion et ruissellement des surfaces dénudées, et par voie de conséquence par la désertification.

3.1.2 Les parcs naturels: le premier, le Parc de la Vanoise, a été créé en 1960. Aujourd'hui, 7 parcs nationaux, 40 parcs régionaux et 121 réserves naturelles constituent un réseau efficace de préservation de la biodiversité et des espaces naturels.

3.2 L'ACTIVITE HUMAINE ET SON INFLUENCE SUR LES CLIMATS

3.2.1 Le "trou" dans la couche d'ozone: le chlore relâché par la décomposition des algues fait diminuer le taux d'ozone au-dessus de l'Antarctique. Ce phénomène est accentué par l'effet de composés produits par l'activité humaine (CFC, par exemple: chloro-fluoro-carbone des bombes aérosols). Il s'en est suivie une diminution de la quantité d'ozone, principalement au-dessus de l'Antarctique.
Cette couche d'ozone a permis le développement de la vie sur les continents, en arrêtant les rayons UV-B. L'augmentation de ce rayonnement peut provoquer des cancers de la peau, des mutations et perturber la photosynthèse.

3.2.2 L'augmentation de l'effet de serre: une partie du rayonnement réémis par la surface du globe est piégée dans l'atmosphère par les gaz à effet de serre (CO2, méthane, vapeur d'eau, ozone), maintenant une température favorable à la vie.
Les activités industrielles font augmenter le taux de CO2: on peut ainsi s'attendre à des modifications climatiques dans les siècles à venir, en liaison avec cette augmentation (voir le cours de TS spécialité).

3.3 LE CONCEPT POLITIQUE DE "DEVELOPPEMENT ECONOMIQUE DURABLE"

Les atteintes répétées à l'environnement ont amené les hommes politiques à préconiser une modération graduelle dans la croissance de l'économie, l'utilisation des ressources naturelles, une protection des sites, de la biodiversité en vue de préserver les grands équilibres biologiques et climatiques (conférences de Rio 1992, Kyoto 1997, Johannesburg 2002).