Organic Geochemistry of Shale Outcrop From the Morro Do Chaves Formation, Lowercretaceous, Sergipe-Alagoas Basin, Northeastern Brazil

Le temps profond laisse ses empreintes non seulement dans les os des dinosaures ou les coquilles de créatures anciennes, mais aussi dans la chimie même des roches dans lesquelles elles vivaient. Ce domaine, connu sous le nom de géochimie organique, traite la roche sédimentaire comme une archive chimique. Lorsque les plantes, les algues et les micro-organismes meurent et se déposent au fond d'un lac ou d'un océan, leurs restes peuvent se retrouver piégés dans la boue. Sur des millions d'années, cette matière organique se transforme en kérogène, une substance cireuse qui conserve la mémoire de l'environnement où elle a été enfouie. En analysant les types spécifiques de molécules de carbone et les ratios de différents éléments au sein de ces roches, les scientifiques peuvent reconstruire des climats anciens, déterminer si l'eau était douce ou salée, et comprendre si le fond du lac était riche en oxygène ou complètement dépourvu d'air. Comprendre ces conditions est crucial car cela révèle comment la vie a survécu par le passé et aide les géologues à localiser les environnements anciens où le pétrole et le gaz pourraient s'être formés.

Dans la partie nord-est du Brésil, une étendue de roche spécifique raconte l'histoire dramatique d'un lac qui changeait constamment d'avis. La Formation de Morro do Chaves, datant de l'Éocéno-Crétacé, se situe dans une région qui faisait autrefois partie d'une vaste vallée de rift alors que le supercontinent Gondwana commençait à se fragmenter. Pendant des décennies, les géologues ont étudié les célèbres lits de coquillages de cette zone, connus sous le nom de coquinas, qui sont saturés de restes de bivalves et de gastéropodes. Ces lits de coquillages ont longtemps été compris comme se formant dans des eaux lacustres peu profondes et agitées par des tempêtes. Cependant, les couches de schiste sombres et boueuses trouvées mélangées aux coquillages sont restées un mystère. Si les coquillages attirent l'attention, les schistes détiennent la clé de la chimie de l'eau et des moments de calme entre les tempêtes. Une équipe de chercheurs de l'Université d'État de Rio de Janeiro et de Petrobras a décidé d'examiner de près ces mudstones négligés pour comprendre quel genre de monde les avait déposés.

Les chercheurs se sont concentrés sur une carrière dans l'État d'Alagoas, un lieu où les couches rocheuses sont exposées sur une paroi verticale s'étendant sur plus d'un kilomètre. Ils ont soigneusement collecté quatorze échantillons de schiste provenant de onze niveaux différents de la paroi rocheuse, allant du bas de l'exposition jusqu'au sommet. En laboratoire, ils ont soumis ces roches à une série de tests conçus pour lire leur histoire chimique. Ils ont mesuré la quantité totale de carbone organique, qui sert de jauge pour savoir quelle quantité de vie a été préservée dans la boue. Ils ont également chauffé les roches dans un environnement contrôlé pour voir quel type d'hydrocarbures elles libéraient, un processus qui révèle le type de vie qui est mort là à l'origine. Enfin, ils ont utilisé des techniques de séparation chimique avancées pour isoler des marqueurs moléculaires spécifiques, appelés biomarqueurs. Ces molécules sont comme des fossiles chimiques ; elles conservent la signature structurelle des organismes spécifiques qui les ont produites, permettant aux scientifiques de distinguer les algues, les bactéries et les plantes terrestres.

Les résultats ont brossé le portrait d'un écosystème complexe et changeant. L'analyse a montré que la matière organique dans les schistes n'était pas uniforme ; elle variait considérablement d'une couche à l'autre. Certaines couches contenaient des quantités élevées de carbone organique, tandis que d'autres en étaient très pauvres. Les signatures chimiques ont indiqué que la vie préservée dans ces roches provenait de deux sources principales : les algues d'eau douce et les plantes terrestres. Dans plusieurs échantillons, les chercheurs ont trouvé une forte présence de kérogène de Type I et de Type II. En termes simples, cela signifie que la matière organique provenait largement d'algues et d'autres organismes aquatiques qui ont été préservés dans un environnement très pauvre en oxygène. La présence de pyrite, un minéral qui ne se forme que dans des eaux pauvres en oxygène, a confirmé que le fond de ce lac ancien était souvent stagnant et anoxique.

Cependant, l'histoire n'était pas celle d'un lac simple et isolé. Les données chimiques suggéraient que la chimie de l'eau fluctuait constamment. Dans certaines couches, les marqueurs moléculaires indiquaient un environnement purement d'eau douce dominé par les plantes terrestres. Dans d'autres, les marqueurs indiquaient un mélange d'eau douce et d'eau salée, suggérant que le lac était périodiquement envahi par la mer. Les chercheurs ont trouvé des preuves d'incursions marines, où l'eau de mer pénétrait dans le bassin du lac, probablement sous l'effet de la montée du niveau de la mer et des mouvements tectoniques associés à l'ouverture de l'océan Atlantique Sud. Ces événements auraient créé un environnement de type lagune saumâtre, où des poissons marins et des mollusques d'eau saumâtre pouvaient se mélanger aux espèces d'eau douce. Les ratios chimiques de certaines molécules, telles que la relation entre le pristane et le phytane, ont aidé l'équipe à distinguer ces périodes calmes et humides des périodes plus sèches et plus chaudes lorsque le lac rétrécissait et que l'eau devenait plus concentrée.

L'une des découvertes les plus intéressantes provient d'un échantillon spécifique, nommé P05. Cette couche présentait une signature chimique unique dominée par des chaînes de carbone de taille moyenne, typiquement produites par des bactéries agissant sur du matériel algal. Cela suggérait que, lors du dépôt de cette couche, l'environnement était particulièrement calme et humide, avec une colonne d'eau profonde et stable permettant un type différent de processus biologique. En revanche, d'autres couches montraient des signes d'événements de haute énergie, tels que des tempêtes ou des changements rapides du niveau de l'eau, qui ont probablement emporté une grande partie de la matière organique, laissant derrière eux le faible contenu en carbone observé dans ces échantillons. Les tests de maturité thermique, qui mesurent la quantité de chaleur à laquelle les roches ont été soumises au fil du temps, ont indiqué que les roches étaient encore relativement jeunes à l'échelle géologique et n'avaient pas été assez "cuites" pour se transformer en pétrole, préservant ainsi les structures chimiques délicates nécessaires à cette analyse.

L'étude conclut que la Formation de Morro do Chaves représente un paléoenvironnement perturbé et dynamique. Ce n'était pas un lac statique, mais un système qui oscillait entre des conditions d'eau douce, saumâtre et marine. Les schistes enregistrent l'histoire d'incursions marines périodiques qui ont transformé le lac en une lagune, créant un habitat unique où diverses formes de vie pouvaient prospérer et mourir. La présence de matière organique continentale et marine, ainsi que les preuves chimiques de fluctuations des niveaux d'oxygène, soutiennent l'idée que cette zone était une zone de transition où se rencontraient les forces de la fragmentation du continent et l'avancée de l'océan. En lisant la chimie de ces mudstones, les chercheurs ont comblé les lacunes laissées par les célèbres lits de coquillages, révélant une histoire complexe de changements climatiques, d'activité tectonique et de l'équilibre délicat entre l'eau douce et l'eau salée qui a façonné la vie dans ce coin de l'ancien Brésil.