De nouvelles études confirment que le volcanisme du Crétacé moyen a causé l’acidification des océans


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  • Il y a près de 100 millions d’années, la Terre a connu une perturbation environnementale extrême qui a étouffé l’oxygène des océans et conduit à des niveaux élevés d’extinction marine qui ont affecté le monde entier.

    Maintenant, dans une paire de nouvelles études complémentaires, deux équipes de géoscientifiques dirigées par l’Université Northwestern rapportent de nouvelles découvertes sur la chronologie et le caractère des événements qui ont conduit à cet événement, connu sous le nom d’Ocean Anoxic Event 2 (OAE2), qui a été co-découvert plus il y a plus de 40 ans par le regretté professeur Seymour Schlanger du Northwestern.

    En étudiant les microfossiles planctoniques préservés et les sédiments en vrac extraits de trois sites à travers le monde, l’équipe a recueilli des preuves directes indiquant que l’acidification des océans s’est produite au cours des premières étapes de l’événement, en raison du dioxyde de carbone (CO2) les émissions provenant de l’éruption de complexes volcaniques massifs au fond de la mer.

    Dans l’une des nouvelles études, les chercheurs proposent également une nouvelle hypothèse pour expliquer pourquoi l’acidification des océans a conduit à un étrange pic de températures plus fraîches (surnommé « Plenus Cold Event »), qui a brièvement interrompu la période de serre autrement intensément chaude.

    En analysant comment un afflux de CO2 des volcans ont affecté la chimie des océans, la biominéralisation et le climat, les chercheurs espèrent mieux comprendre comment la Terre d’aujourd’hui réagit à une augmentation du CO2 dues aux activités humaines, ce qui pourrait potentiellement conduire à des solutions d’adaptation et d’atténuation des conséquences anticipées.

    Un article, avec les découvertes de carottes en haute mer, y compris un site nouvellement foré près du sud-ouest de l’Australie, sera publié jeudi 19 janvier dans la revue Nature Geoscience. Un article complémentaire détaillant les découvertes d’anciens microfossiles malformés a été publié le 13 décembre dans la revue Nature Communications Earth & Environment.

    « L’acidification et l’anoxie des océans ont résulté de quantités massives de CO2 des volcans », a déclaré Brad Sageman de Northwestern, co-auteur principal des deux études. « Ces principaux CO2 les événements d’émission de l’histoire de la Terre fournissent les meilleurs exemples que nous ayons de la façon dont le système terrestre réagit à de très grands apports de CO2. Ce travail a une applicabilité fondamentale à notre compréhension du système climatique et à notre capacité à prédire ce qui se passera dans le futur. »

    « Sur la base d’analyses isotopiques de l’élément calcium, nous proposons une explication possible de l’événement de froid Plenus, à savoir qu’un ralentissement des taux de biocalcification dû à l’acidification des océans a permis à l’alcalinité de s’accumuler dans l’eau de mer », a déclaré Andrew Jacobson, de Northwestern. auteur des deux études. « L’augmentation de l’alcalinité a entraîné une réduction du CO2 de l’atmosphère. Il se pourrait très bien qu’un tel refroidissement soit une conséquence prévisible – mais transitoire – du réchauffement. Nos résultats pour OAE2 fournissent un analogue géologique pour l’amélioration de l’alcalinité des océans, qui est une stratégie de premier plan pour atténuer la crise climatique anthropique. »

    Experts du climat pendant la période du Crétacé et de la géochimie isotopique, Sageman et Jacobson sont tous deux professeurs de sciences de la Terre et des planètes au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern. Les deux études ont été dirigées par leur ancien Ph.D. étudiants, Gabriella Kitch et Matthew M. Jones, qui ont lancé cette recherche à Northwestern.

    Reconstitution des conditions du Crétacé

    Basé sur plus de 40 ans d’études, OAE2 est l’une des perturbations les plus importantes du cycle global du carbone à s’être produites sur la planète Terre. Les chercheurs ont émis l’hypothèse que les niveaux d’oxygène dans les océans ont chuté si bas pendant l’OAE2 que les taux d’extinction marine ont augmenté de manière significative. Pour mieux comprendre cet événement et les conditions qui l’ont précédé, les chercheurs ont étudié d’anciennes couches de roches sédimentaires riches en carbone organique et contenant des fossiles dans des sites d’affleurements largement distribués, ainsi que des carottes en haute mer obtenues par le Programme international de découverte des océans ( IODP) (financé par la National Science Foundation et ses partenaires internationaux).

    Les sites comprenaient Gubbio, en Italie (une région célèbre de l’Italie continentale qui était autrefois un bassin océanique profond), la Voie maritime intérieure de l’Ouest (un ancien fond marin s’étendant du golfe du Mexique à l’océan Arctique en Amérique du Nord) et plusieurs profondeurs. sites marins, dont un nouveau de l’est de l’océan Indien, au large du sud-ouest de l’Australie.

    Les carottes en haute mer fournissent un enregistrement inestimable des conditions dans des parties des paléo-océans qui étaient complètement inconnues avant le développement des programmes de forage océanique. Dans les trois carottes, les chercheurs se sont concentrés sur des coupes du Crétacé moyen, juste avant la limite des âges Turonien et Cénomanien, afin de reconstituer les conditions menant à l’OAE2.

    « La partie difficile de l’étude de l’acidification des océans dans le passé géologique est que nous n’avons pas d’eau de mer ancienne », a déclaré Jones, qui est maintenant boursier postdoctoral Peter Buck à la Smithsonian Institution. « Il est extrêmement rare que vous trouviez quelque chose qui ressemble à de l’eau de mer ancienne emprisonnée dans une roche ou un minéral. Nous devons donc rechercher des preuves indirectes, en particulier des changements dans la chimie des coquilles fossiles et des sédiments lithifiés. »

    Fossiles malformés

    Pour l’étude publiée dans Communications Earth & Environment, Kitch et ses co-auteurs se sont concentrés sur les foraminifères fossilisés, des organismes unicellulaires océaniques dotés d’une enveloppe externe en carbonate de calcium, qui ont été collectés sur le site de Gubbio par un collaborateur italien, le professeur Rodolfo Coccioni. à l’Université d’Urbino.

    Kitch et ses collaborateurs ont été attirés par les spécimens de Gubbio parce que les observations optiques de Coccioni et les mesures de leurs coquilles ont montré des anomalies, y compris un schéma constant de « nanisme » ou une diminution de la taille globale, coïncidant avec l’apparition de l’OAE2.

    « Ce sont des signes optiques de stress », a déclaré Kitch, qui est maintenant boursier Knauss à la National Oceanic and Atmospheric Administration. « Nous avons émis l’hypothèse que le stress aurait pu être causé par l’acidification des océans, qui a ensuite affecté la façon dont les organismes ont construit leur coquille. »

    Pour tester cette hypothèse, Kitch a analysé la composition isotopique du calcium des fossiles. Après avoir dissous les coquilles fossilisées et analysé leur composition avec un spectromètre de masse à ionisation thermique, l’équipe de Northwestern a observé que les rapports isotopiques du calcium se déplaçaient dans les spécimens malformés d’une manière cohérente avec le stress dû à l’acidification.

    « Il s’agit du premier article à marier les preuves isotopiques du calcium pour l’acidification avec des observations d’indicateurs biologiques de stress », a déclaré Sageman. « Ce sont ces observations biologiques et géochimiques indépendantes qui confirment qu’il y a eu un impact sur la biominéralisation au début de l’OAE2. »

    « Relation de cause à effet »

    Pour la deuxième étude, publiée dans Nature Geoscience, Jones et ses co-auteurs se sont concentrés sur les carottes en haute mer de sédiments lithifiés au large du sud-ouest de l’Australie, que lui et ses collègues ont collectés lors d’une expédition IODP en 2017. Pour cette pièce du puzzle, les chercheurs étaient moins intéressés par ce qu’il y avait dans les sédiments et plus intéressés par ce qui manquait visiblement aux sédiments.

    Le noyau contient des empilements de calcaire, riches en minéraux de carbonate de calcium, mais est ponctué par une absence soudaine de carbonate juste avant OAE2.

    « Pour cet intervalle de temps, nous avons constaté que la calcite est absente », a déclaré Jones. « Il n’y a pas de minéraux carbonatés. Cette section du noyau est visiblement plus sombre ; elle nous a sauté aux yeux. Le carbonate s’est soit dissous au fond de la mer, soit moins d’organismes fabriquaient des coquilles de carbonate de calcium dans l’eau de surface. C’est une observation directe d’un océan événement d’acidification. »

    Dans ses analyses géochimiques menées en collaboration avec le professeur Dave Selby de l’Université de Durham, Jones a remarqué que le carbonate n’était pas le seul composant présentant des changements significatifs. Coïncidant avec le début de l’OAE2, il y a aussi un changement marqué dans les rapports isotopiques de l’osmium qui signalent un apport massif d’osmium dérivé du manteau, l’empreinte digitale d’un événement majeur de volcanisme sous-marin. Cette observation est cohérente avec les travaux de nombreux autres chercheurs, qui ont trouvé des preuves de l’éruption d’une grande province ignée (LIP) précédant l’OAE2.

    Ces événements d’activité volcanique massive se produisent tout au long de l’histoire de la Terre et sont de plus en plus reconnus comme des agents majeurs du changement global. De nombreux LIP étaient sous-marins, injectant des tonnes de CO2 directement dans les océans. Quand le CO2 se dissout dans l’eau de mer, il forme un acide faible qui peut inhiber la formation de carbonate de calcium et peut même dissoudre les coquilles de carbonate et les sédiments préexistants.

    « Dès le début de l’OAE2, les rapports isotopiques de l’osmium passent à des valeurs vraiment très basses », a déclaré Jones. « La seule façon qui peut se produire est par une grande éruption de province ignée. Cela nous aide à établir une relation de cause à effet. Nous pouvons voir la preuve que les volcans étaient vraiment actifs parce que les valeurs d’osmium s’effondrent. Puis, tout à coup, il n’y a plus de carbonate . »

    Rétroaction biologique

    Bien que l’acidification des océans à la suite d’un LIP ne soit pas nécessairement surprenante, l’équipe de Northwestern a découvert quelque chose d’inhabituel. Les conditions acides pendant l’OAE2 ont duré beaucoup plus longtemps que d’autres événements d’acidification largement reconnus dans le monde antique. Jones postule que le manque d’oxygène dans les eaux océaniques peut avoir prolongé l’état d’acidification.

    « Les organismes qui ont consommé du plancton en train de couler et de la matière organique dans la colonne d’eau pendant l’OAE2 respiraient également du CO2qui a contribué à l’acidification des océans initialement déclenchée par le CO2 émission de l’activité volcanique LIP « , a déclaré Jones. « Ainsi, l’anoxie marine peut être une » rétroaction positive « sur l’acidification des océans. C’est important parce que l’océan mondial aujourd’hui, en plus de voir ses niveaux de pH diminuer, perd également sa teneur en oxygène. Cela suggère que la diminution de l’oxygène peut prolonger l’acidification et souligne que les deux phénomènes sont étroitement liés. »

    Dans l’étude de Kitch, elle a découvert que la biologie jouait encore un autre rôle pendant l’événement. Le réchauffement climatique et l’acidification des océans n’ont pas seulement affecté passivement les foraminifères. Les organismes ont également répondu activement en réduisant les taux de calcification lors de la construction de leurs coquilles. À mesure que la calcification ralentissait, les foraminifères consommaient moins d’alcalinité de l’eau de mer, ce qui contribuait à amortir l’acidité croissante de l’océan. Cela a également accru la capacité de l’océan à absorber le CO2déclenchant potentiellement l’événement Plenus Cold.

    « Nous appelons cette phase une » période de serre chaude « parce que les températures étaient vraiment, vraiment chaudes », a déclaré Kitch. « Cependant, il existe des preuves d’un refroidissement relatif pendant l’intervalle OAE2. Personne n’a été en mesure d’expliquer pourquoi ce refroidissement s’est produit. Notre étude montre qu’en diminuant la production de carbonate dans l’océan, vous augmentez en fait l’alcalinité, ce qui donne à l’océan un tampon. capacité à absorber le CO2. L’océan a soudainement la capacité d’absorber du CO2 et équilibrer les flux de carbone. »

    La stabilisation « a un coût »

    Mais juste parce qu’un bref refroidissement a interrompu cette période autrement chaude, les chercheurs avertissent que la capacité naturelle des océans à tamponner le CO2 n’est pas la réponse au changement climatique actuel d’origine humaine. Sageman explique le scénario en comparant le changement climatique au cancer.

    « C’est comme si un patient avait un cancer et que le cancer a disparu pendant un mois », a déclaré Sageman. « Mais ensuite, il est revenu et a tué le patient. Ne vous laissez pas berner en pensant que l’océan va nous rafraîchir et que tout ira bien. C’était cool pendant un petit laps de temps. »

    « Bien que la Terre ait rebondi et se soit guérie, les extinctions dans le domaine marin ont aidé à y parvenir », a ajouté Jacobson. « La Terre a des rétroactions stabilisatrices, mais elles ont un coût. »

    L’étude de Kitch, « Les rapports isotopiques du calcium des foraminifères malformés révèlent que le stress de biocalcification a précédé l’événement anoxique océanique 2 », a été soutenue par la National Science Foundation (numéros de prix DGE-1842165 et EAR 0723151) et la Fondation David et Lucile Packard (numéro de prix 2007-31757 ).

    L’étude de Jones, « L’acidification du Crétacé moyen liée au volcanisme massif », a été soutenue par la National Science Foundation (numéro de prix EAR 1338312) et le US Science Support Program/IODP.

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