Astronomical calibration of the Jurassic–Cretaceous transition links cooling, calcification events, and Boreal–Tethyan carbon-cycle decoupling

Le temps profond est un paysage vaste et souvent flou. Les géologues savent depuis longtemps que l'histoire de la Terre est écrite dans les couches de roche, chaque couche représentant une tranche de temps. Pour lire cette histoire avec précision, les scientifiques ont besoin d'un calendrier précis, capable de leur dire exactement quand une couche spécifique a été déposée. Pour les quelques derniers millions d'années, ce calendrier est construit sur le vacillement prévisible de l'axe de la Terre et de son orbite autour du soleil, qui laissent des motifs rythmiques dans les sédiments. Cependant, lorsque nous regardons plus loin dans le passé, à l'ère des dinosaures, ce calendrier devient difficile à lire. La transition entre les périodes Jurassique et Crétacé, il y a environ 145 millions d'années, a été l'un des chapitres les plus déroutants de l'histoire de la Terre. C'est une époque de changements majeurs dans le climat, la chimie des océans et la vie, mais sans une chronologie fiable, les scientifiques ont eu du mal à comprendre comment ces événements étaient connectés ou à quelle vitesse ils se sont produits. Le refroidissement de la planète était-il une dérive lente ou une chute soudaine ? Les océans ont-ils changé avant ou après le changement climatique ? Sans une séquence claire, l'histoire reste fragmentée.

Pour résoudre ce puzzle, une équipe de chercheurs a porté son attention sur une section spécifique de roche en Arabie saoudite centrale. Ils ont foré un carottage profond, extrayant un cylindre continu de calcaire ancien qui s'était formé sur un fond marin peu profond à l'époque des dinosaures. Cet enregistrement rocheux, connu sous le nom de Formation de Sulaiy, est remarquablement complet, préservant une séquence longue et ininterrompue de couches allant du Jurassique tardif au Crétacé précoce. Les scientifiques ont réalisé que cette roche détenait une horloge cachée. Tout comme les cernes des arbres enregistrent les saisons, les couches de ce fond marin ancien enregistraient les pulsations rythmiques de l'orbite de la Terre. En comptant ces cycles orbitaux, ils pouvaient construire une chronologie à haute résolution qui permettrait enfin de dater les roches avec précision et de voir l'ordre des événements qui ont façonné notre planète.

Les chercheurs ont commencé par examiner les fossiles microscopiques piégés dans la roche. Il s'agissait de minuscules organismes unicellulaires appelés nannofossiles calcaires, qui flottaient dans les anciens océans. À mesure que le climat et la chimie des océans changeaient, les types de ces fossiles changeaient également. L'équipe a trouvé une transition claire : les couches inférieures étaient dominées par des fossiles plus anciens, de style jurassique, tandis que les couches supérieures étaient remplies de nouveaux types du Crétacé, plus lourdement armés. Ce changement marquait une réorganisation majeure de la vie microscopique des océans. Mais pour comprendre le moment de ce changement, ils avaient besoin de plus que de simples fossiles. Ils ont mesuré les empreintes chimiques de la roche, spécifiquement les ratios d'isotopes de carbone et d'oxygène. Ces ratios agissent comme un thermomètre et un indicateur du cycle mondial du carbone, révélant quand les océans se refroidissaient et comment l'équilibre du carbone dans l'atmosphère changeait. Ils ont également examiné les isotopes du strontium, qui racontent l'histoire de la quantité de roche subissant l'altération sur les continents et se déversant dans la mer.

Avec ces indices chimiques et biologiques en main, l'équipe s'est tournée vers le rythme de la roche elle-même. Ils ont analysé le signal gamma de la carotte, une mesure qui détecte la radioactivité naturelle des sédiments. Ce signal a révélé un motif répétitif de couches épaisses et minces, comme une partition musicale. Les chercheurs ont identé un rythme dominant qui se répétait tous les quelques mètres de roche. En comparant ce rythme aux cycles connus de l'orbite terrestre, ils ont réalisé qu'ils avaient trouvé le cycle de 405 000 ans de l'excentricité orbitale. Il s'agit d'un vacillement à long terme de la forme de l'orbite terrestre, un métronome stable qui bat depuis des centaines de millions d'années. En comptant ces cycles de 405 000 ans du bas de la carotte vers le haut, l'équipe a pu construire une chronologie précise. Ils ont découvert que la séquence rocheuse couvrait environ 12 millions d'années, englobant la fin du Jurassique et le début du Crétacé.

Cette nouvelle chronologie leur a permis de fixer le moment exact de la limite entre les deux périodes géologiques. Ils ont placé la limite Jurassique-Crétacé à environ 143,1 millions d'années. Cette date aide à résoudre un débat de longue date, car les estimations précédentes variaient considérablement. Plus important encore, la chronologie a révélé la séquence d'événements survenus durant cet intervalle critique. Les données ont montré qu'une période de refroidissement significatif, où les températures mondiales ont chuté et où les calottes glaciaires se sont probablement étendues aux pôles, s'est produite entre environ 146 et 140 millions d'années. Cette phase de refroidissement coïncidait avec un signal étrange et puissant dans la roche : une influence accrue de l'inclinaison de l'axe de la Terre, ou obliquité. Bien que cette inclinaison ait habituellement son effet le plus marqué sur les climats de haute latitude, les chercheurs ont trouvé sa signature clairement enregistrée dans les roches tropicales d'Arabie saoudite. Cela suggère que le refroidissement était si intense qu'il a amplifié l'influence de l'obliquité, envoyant des signaux climatiques des pôles jusqu'à l'équateur.

L'étude a également clarifié le moment de deux événements majeurs dans l'histoire de la vie marine, connus sous le nom d'événements de calcification des nannofossiles. Il s'agissait de moments où de minuscules organismes marins ont soudainement commencé à construire des coquilles beaucoup plus épaisses et plus lourdes, entraînant une augmentation massive de la production de roche carbonatée dans les océans. Les chercheurs ont découvert que ces événements ne se sont pas produits tous en même temps. Le premier événement, impliquant un groupe spécifique d'organismes, s'est produit pendant une période de refroidissement, suivi d'un second événement où un groupe différent de fossiles lourdement armés a pris le dessus. Crucialement, la chronologie a montré que ces explosions biologiques se sont produites en synchronisation avec le climat de refroidissement et les changements spécifiques du cycle du carbone, plutôt que d'être des incidents aléatoires ou isolés. Les données ont également révélé que le cycle du carbone ne se comportait pas de la même manière partout. Alors que les océans tropicaux montraient un déclin constant et graduel des niveaux de carbone, les océans plus froids du nord connaissaient des variations beaucoup plus sauvages. Ce « découplage » suggère que les océans du nord et du sud réagissaient différemment aux mêmes changements mondiaux, probablement en raison de différences dans la manière dont les océans étaient connectés et dont le carbone était enfoui dans les sédiments.

En intégrant le registre fossile, les signatures chimiques et l'horloge orbitale, les chercheurs ont créé un cadre robuste pour comprendre cette ère charnière. Ils ont démontré que la transition du Jurassique au Crétacé n'était pas un mélange chaotique d'événements, mais une séquence étroitement orchestrée par l'orbite de la Terre. Le refroidissement du climat, l'expansion des glaces, les changements de la chimie des océans et l'évolution de la vie marine se sont tous produits dans une fenêtre de temps spécifique et bien définie. Cette nouvelle chronologie ne fournit pas seulement une date ; elle fournit une histoire. Elle nous dit que le système climatique de la Terre est sensible au forçage orbital, capable d'amplifier de petits changements en des bouleversements mondiaux qui remodèlent les océans et la vie qu'ils contiennent. Ce travail confirme que le cycle de 405 000 ans est un outil fiable pour lire le temps profond, offrant une voie claire pour la compréhension d'autres moments critiques de l'histoire de la Terre où le passé a été difficile à déchiffrer.