Couplage entre événements géologiques et biologiques : ex. de la limite crétacé – tertiaire

 

Evolution espèces => renouvellement des espèces ; durée de vie d’une espèce : de 1 à quelques millions d’années.

Y a-t-il uniformité et progressivité dans ces modifications biologiques ?

Au XIXème siècle : découverte limite entre deux périodes : Crétacé fin (ère secondaire) et ère Tertiaire, grâce aux différences importantes dans les fossiles de couches successives. Interprétation de l’époque : la sédimentation est interrompue et donc les formes intermédiaires ne sont pas visibles  !

Aujourd’hui  on a pu étudier ce passage à des endroits où la sédimentation a été continue (zones immergées.)

 

1.    L’enregistrement du passage Crétacé - Tertiaire dans les séries sédimentaires

Q1.   Quelle est la nature de la couche sédimentaire marquant la limite crétacé-tertiaire (« limite K/T ») dans l’affleurement de Bidart : document 1 poly et doc 1 a et b p 192 ?

Q2.  Quelle chronologie d’événements explique la disposition actuelle de l’affleurement  (principes de chrono. relative) : doc. 1 et 2, poly?

Q3.  Quelle est la caractéristique unique de la couche limite du point de vue chimique : doc 2 p 193 ?

Q4.  La limite Crétacé-Tertiaire est-elle identifiable à l’échelle mondiale : doc 1c p 192 et le document 3 poly ?

Q1 : Fine couche d’argile noire (quelques cm d’épaisseur).

Q2 : Disposition observée : couches inclinées vers le Nord et parallèles ; le sommet des couches est « raboté ». Évènements : d’après colonne doc. 2, sédimentation marine, avec dépôt des couches de marnes du maastrichtien  (secondaire) puis de calcaires du danien  (tertiaire). Différentes conditions de sédimentation conduisant, selon les époques, à différentes roches. Puis basculement des couches dû à une déformation tectonique (compression => pli) : marnes secondaires au Sud ; calcaires tertiaires au Nord ; puis érosion (le terrain est émergé).

Q3. La concentration d’Iridium, métal rare, est très importante dans la couche d’argile noire : maxi 10 ng/g, alors qu’elle est de 2.10-2 à 10-1 ng/g dans les autres couches, c’est-à-dire très faible.

Q4. A l’échelle mondiale, omniprésence fine couche argile noire riche en Iridium : dans séries sédimentaires en milieu marin (Bidart, Gubbio), continental (Montana, USA) ou océanique (Haïti), alors que les couches encadrant la couche d’argile noire sont de nature différente selon les endroits.

 

information complémentaire : teneur moyenne en Iridium des roches sédimentaires : 0,05 ng/g ; teneur moyenne dans l’eau de mer : 10-6 ng/g. Donc : teneur 20 à 200 fois supérieures.

 

Bilan : Dans tous les endroits étudiés où la sédimentation a été continue (séries sédimentaires complètes), le passage des terrains du Crétacé aux terrains du Tertiaire est marqué par la présence d’une fine couche d’argile noire de quelques cm d’épaisseur anormalement riche en Iridium, élément rare dans la croûte terrestre. Cette couche a été datée de 65 Ma.

 

2.    Une discontinuité biologique majeure

2.1      En domaine marin

Q5.  Décrire les changements de la faune de foraminifères observés lors du passage du Crétacé au Tertiaire à Bidart : doc. 4, 5, 6 poly.

Q6.  Interpréter alors les caractéristiques de la couche d’argile noire en ce qui concerne la teneur en carbonate de calcium : doc. 4 p 193

Q7.  Quels sont les changements subis par les Ammonites : doc. 8, poly ?

 

Q5. Répartition des foraminifères (organismes planctoniques unicellulaires à test calcaire):

Doc. 6 : On distingue 2 grands groupes selon leur mode de vie : les formes planctoniques (vivent en pleine eau) et les formes benthiques (vivent sur le fond). Le graphique donne le % de chaque famille et pas le nombre absolu (on peut supposer qu’il y a beaucoup moins de fossiles au niveau K-T.)

Q6. La teneur en carbonate de calcium montre une diminution brusque (de 75% à 20%) dans la couche d’argile noire par rapport à la couche précédente. Les sédiments calcaires en milieu marin ont une origine biochimique : ils se forment par sédimentation de coquilles calcaires de foraminifères et d’autres organismes marins. Cette diminution dans la couche d’argile à Iridium traduit donc la raréfaction des microfossiles d’organismes planctoniques : les foraminifères, animaux unicellulaires à coquille calcaire et les coccolites, algues vertes possédant des plaques calcaires microscopiques. C’est ce qui explique la nature argileuse de cette couche (si le % de CaCO3 était plus élevé ont aurait une marne ou même un calcaire comme c’est le cas dans les couches voisines.)

Q7. Les Ammonites : doc 8, poly. : ce sont des mollusques Céphalopodes nageurs (pélagiques)

 

Bilan :

Disparition rapide de 90% des espèces de Foraminifères planctoniques à l’échelle mondiale, expliquant le faible taux de CaCO3 dans la couche à Iridium. De nouvelles espèces apparaissent au début du III, caractérisées par une petite taille. Les formes benthiques sont peu touchées.

Jusqu’à la fin du Crétacé, le groupe des Ammonites compte de nombreuses espèces. Toutes ces espèces disparaissent définitivement et brutalement à la limite K-T. (Remarque : les formes benthiques de Céphalopodes – Nautiles - subsistent.)

2.2      En domaine continental

Q8.  Quels sont les changements biologiques repérables lors du passage du Crétacé au Tertiaire en milieu continental : documents 8b, 9 et 10 poly ?

Q8.

Doc. 8b, poly : pour la flore en Amérique du Nord :

Doc. 9, poly : dans le Montana (Am. du N)

Doc. 10, poly :

 

Bilan : Une crise biologique se caractérise par :

-        une diminution de la diversité biologique (du nombre de groupes d’être vivants) due à la disparition de nombreuses espèces d’êtres vivants (ex : les Ammonites et certains groupes de Foraminifères pélagiques en milieu marin, les Dinosaures en milieu continental)

-        cette diminution est sélective, certains groupes étant peu touchés

-         elle est globale, affectant l’ensemble de la planète : milieu marin et continental

-        à l’échelle des temps géologiques, elle est soudaine (quelques centaines de milliers d’années) et les disparitions sont simultanées

-        elles sont suivies d’un rétablissement de la biodiversité en quelques millions d’années : les groupes qui ont survécu (ici : les Mammifères, les Oiseaux) vont se diversifier de façon importante, occupant la « place » (ressources alimentaires) laissée libre par les groupes disparus : on parle de radiation évolutive

 

Le passage du Crétacé au Tertiaire il y a 65 Ma présente toutes les caractéristiques d’une crise biologique.

 

3.   La recherche des causes :

Deux scénarios possibles :

Iridium : très abondant dans certains météorites ; également abondant dans les roches du manteau (péridotites) mais beaucoup moins cependant (quelques ng/g).

La présence universelle de la couche à iridium résulterait de la chute de poussières atmosphériques riches en Iridium sur l’ensemble du globe. Cet élément étant rare dans la croûte et abondant dans certaines météorites (extraterrestres) ou dans les profondeurs du manteau, deux hypothèses sont envisageables :

-       pulvérisation d’une météorite suite à une collision avec la Terre

-       émission de grandes quantités de cendres volcaniques dans l’atmosphère

3.1    Des faits à l’appui de l’hypothèse extraterrestre

a-  Trois témoins présents dans la couche d’argile noire : Doc. 1 p 196

·         présence de petits cristaux de quartz choqués. Ces cristaux ne se trouvent que dans des cratères d’impact météoritiques. En effet, la structure de ces cristaux résulte d’une augmentation de pression brutale et énorme, condition réalisée lors d’un impact de météorite.

·         présence de cristaux de magnétite nickélifère : ces minéraux se retrouvent seulement dans la croûte de surface des météorites (et dans les argiles océaniques qui proviennent de leur désintégration puis de leur sédimentation au fond des océans.) En effet, ils se forment par oxydation sous forte pression d’O2 à haute température de matériaux riches en Nickel, conditions réalisées lors du passage à haute vitesse des météorites dans l’atmosphère terrestre. Le graphique montre un pic de 100 magnétites par mg dans la couche C-T et une absence totale dans les couches précédentes ou suivantes.

·         Gouttelettes de verre : elles résulteraient de la projection de roche fondue sous la chaleur de l’impact (et solidifiées rapidement donc sans avoir le temps de cristalliser => verre.)

b-  La découverte d’un cratère d’impact au Mexique : p197, doc 2 et 3

Ce cratère de 250 km de diamètre, non visible en surface et en partie immergé, se situe sur la côte de la péninsule du Yucatan au Mexique. Quels sont les arguments permettant d’interpréter la structure de Chicxulub comme une cratère d’impact lié à la crise K-T ?

-       Nature et disposition des roches (doc . 2)

·         Sous 1000 m de sédiments : structure concave annulaire remplie de « brèche »  = débris de roches  (granite du socle et  calcaire de la couverture sédimentaire) pris dans un « ciment » de roche fondue.

·         Sous la brèche on trouve de la roche fondue puis re-solidifiée.

·         présence de quartz choqués.

-       Interprétation (doc. 3) : la brèche est une brèche d’impact :

·         les débris viennent de la pulvérisation des roches sédimentaires et granitiques au moment de l’impact

·         le « ciment » et la roche fondue sous-jacente viennent de la fusion de la roche liée à l’augmentation de T due à l’énergie libérée par le choc dont témoignent aussi les quartz choqués.

-       Forme du cratère : structure en anneaux avec centre bombé et bords relevés : caractérise un cratère d’impact tels que ceux observés sur la Lune.

-       Datation absolue par radiochronologie du cartère : 65 Ma

 

(Remarque : on a trouvé aussi des dépôts de Tsunamis – couche sables grossiers de 2 à 3 m d’épaisseur – dans un rayon de 3000 km autour du cratère, avec goutelettes de verre et quartz choqués à la base couche d’argile noire au-dessus)

 

Le cratère de Chicxulub dans le Yucatan au Mexique (250 km de diamètre) est la trace de l’impact d’un météorite de 10 km de diamètre. Il a été daté par radiochronologie à 65 Ma.

3.2     Des faits à l’appui de l’hypothèse volcanique

-       doc 3 p 195 : les trapps du plateau du Deccan

·         Les plateaux basaltiques ou « trapps » du Deccan en Inde sont constitués d’une superposition de coulées de basalte sur une épaisseur de 2500 m et une superficie égale à celle de la France. Ils  témoignent donc de phénomènes volcaniques d’une ampleur exceptionnelle qui se sont produits à la limite K/T.

·         Les coulées de basalte se sont succédées sur une durée de 500.000 ans au passage du Crétacé au Tertiaire (datation par radiochronologie) Cette durée reste relativement brève à l’échelle des temps géologiques.

-       http://www.ipgp.fr/pages/0303081001.php: Comment expliquer les trapps du Deccan ?

·         Après fragmentation de la Pangée (continent unique) il y a 200 Ma, mise en place et fonctionnement de dorsales, l’Inde s’éloignant de l’Afrique il y a 65Ma passe au-dessus d’un point chaud très d’où le volcanisme à l’origine des trapps.

·         Remarques :

§   actuellement c’est l’île de la Réunion qui est située à la verticale de ce point chaud, d’où le volcanisme actif de cette île

§   la collision de l’Inde avec la plaque Asiatique a engendré la formation de l’Himalaya.

3.3     Un scénario explicatif de la crise

-       Doc. 1 et doc. 2 p 194 :

·         éruption Pinatubo => trois mois après l’éruption, diminution importante de la transparence de l’atmosphère dans une bande de latitudes centrée autour de l’équateur et tout autour du globe. explication : poussières éjectées dans l’atmosphère par l’éruption.

·         composition des gaz de volcans de points chauds : le tableau (volcan Kilauea à Hawaï) montre que les gaz principaux sont la vapeur d’eau H2O et le dioxyde de carbone CO: ce sont des gaz à effet de serre qui peuvent entraîner un réchauffement de l’atmosphère. D’autres constituants ont un effet réfléchissant : le dioxyde de souffre SO2 et les poussières qui pourraient avoir au contraire un effet refroidissant.

 

Bilan : Bien que les des deux événements aient eu des durées très différentes (l’impact est instantané, le volcanisme s’étale su 500000 ans ils ont pu avoir des conséquences similaires 

Scénario possible :

-       projection de grandes quantités de poussières et de gaz dans l’atmosphère

-       diminution de la transparence et augmentation de l’albédo (% de lumière réfléchie) de l’air

-       diminution de l’énergie solaire reçue au sol et de la photosynthèse et donc perturbation des chaînes alimentaires dont les être vivants chlorophylliens sont les 1ers maillons

-       refroidissement climatique ?

-       par la suite réchauffement climatique par effet de serre ?

(Remarque : l’effet cataclysme n’est sans doute pas le plus important, même pour l’impact)

 

Les deux événements ne sont pas contradictoires mais leurs effets ont pu se conjuguer pour provoquer la crise biologique.

 

 

Conclusion : les crises biologiques, repères dans l’histoire de la terre

La seule crise que vous devez connaître avec ses caractéristiques concrètes est la crise Crétacé-Tertiaire. Vous devez cependant être capables de reconnaître une crise biologique à partir de documents fournis.

 

doc 3 p 187, doc. 11, 12, 13 poly : les traces d’autres crises biologiques majeures

On constate l’existence d’autres crises biologiques majeures. Certaines ont été plus importantes que la crise K-T : crise Ordovicien-Silurien / crise Dévonien-Carbonifère / crise Permien-Trias / crise Trias-Jurassique

 

Exemple : le passage du Permien (primaire) au Trias (secondaire)

Ø  Doc. 11, poly : le texte nous apprend la disparition totale des Trilobites et des Fusulines.

Ø  Le nombre total de genres d’animaux diminue de 1000 à 200 en quelques Ma. Idem pour le nombre de familles. Donc diminution rapide et massive de la biodiversité, et simultanée pour de nombreux genres et familles = Crise biologique (la plus importante dont on garde les traces. 95% des espèces marines disparaissent.)

Ø  La diversité biologique va ensuite augmenter.

A quoi peut-on relier cette crise ?

Ø  A la fin du Permien : formation d’un continent unique (doc 12a) et donc réduction du % des marges continentales par rapport à la surface totale des continents : or les plateaux continentaux constituent les habitats de la plupart des espèces marines. de plus, baisse du niveau marin (régression) qui a le même effet.

Ø  On note aussi une période de volcanisme intense (trapps de Sibérie ; doc 12a et 12b) qui coïncide avec la crise. En revanche, pas de trace d’impact de météorite connu datant de cette époque (cf. doc 13)

Ø  Donc crise qui semble résulter d’une conjonction de facteurs liés surtout à la dynamique interne de la Terre : tectonique des plaques entraînant la formation d’un super-continent et volcanisme de point chaud.

Crises biologiques, événements cosmiques et activité volcanique : doc 13

Ø  On note la coïncidence d’événements volcaniques majeurs avec la plupart crises et d’impacts de météorites, dans certains cas.

 

Les événements géologiques ont joué un rôle majeur dans l’évolution des espèces puisqu’on constate qu’ils sont corrélés avec des crises biologiques (disparition de nombreux groupes suivie de la diversification d’autres groupes.) Il y a couplage entre certains événements géologiques et biologiques.

Les crises biologiques servent de repère dans le découpage des temps géologiques (voir p 187).

Les crises majeures définissent le passage d’une ère à la suivante (par exemple, la crise entre le Permien et le Trias marque le passage de l’ère primaire à l’ère secondaire). D’autres permettent un découpage plus fin des ères.

 

 


SUJETS DE BAC (type II-1 ou II-2)

bac S 2005 Amérique du sud

Partie 2.1 : (3 points) Couplage des événements biologiques et géologiques au cours du temps

A l'échelle des temps géologiques, des modifications brutales et globales liées à des événements planétaires affectent le monde vivant : ce sont les crises.
Elles alternent avec des périodes plus longues de relative stabilité.
L'analyse de la répartition des groupes de Brachiopodes au cours du temps est utilisée pour repérer une crise biologique et la dater.

En exploitant le document, expliquez et discutez cette utilisation de la répartition des Brachiopodes.

 

document : répartition stratigraphique de quelques groupes chez les Brachiopodes (animaux marins)

A chaque période, la largeur du figuré est proportionnelle à l'importance du groupe considéré. Un représentant caractéristique de chacun des groupes 1, 3, 6, 8, 9, 10, 11 et 12 est dessiné sous le diagramme de répartition correspondant. Les deux colonnes de gauche indiquent les ères et les périodes :
I : ère primaire ( C : Cambrien ; O : Ordovicien ; S : Silurien ; D : Dévonien ; C : Carbonifère ; P : Permien);
II : ère secondaire (T : Trias ; J : Jurassique ; K : Crétacé;)
III : ère tertiaire Qu-Rec : quaternaire récent

doc2

d'après Lethiers F.. 1998. Evolution de la biosphère et événements géologiques. GIB : 174, figure 121.


bac S 2006 métropole

Partie 2.2 : (5 points) Couplage des évènements biologiques et géologiques au cours du temps

Plusieurs crises, de durée et d’importance inégales, jalonnent l’histoire du monde vivant. «Certaines, au nombre de cinq, ont atteint une telle ampleur qu’elles ont représenté un changement de la physionomie générale du monde vivant. A tel point qu’elles ont servi, dès le siècle dernier, à déterminer la frontière entre certaines périodes géologiques» (Eric Buffetaut, paléontologue).

A partir de l’étude des trois documents mis en relation avec vos connaissances, démontrez la réalité de l’existence des cinq crises majeures citées par Buffetaut, puis proposez des hypothèses sur les évènements à l’origine de ces crises.

 

document 1 : variations du nombre de familles depuis le Précambrien

Plusieurs espèces forment un genre et plusieurs genres forment une famille.

f31

d'après Sepkoski J.. 1984. A kinetic model of Phanerozoic taxonomic diversity, III. Post Paleozoic families and mass extinctions. Paleobiology 10: 246-267.

document 2 : données sur quelques évènements planétairesf32document 3 : quelques évènements et leurs effets à l’échelle de la planète 

Localisation de l'événement

date

Emissions

effets calculés sur l'environnement

Chute d'une météorite (simulation)

-

taille de la météorite : 10km de diamètre, cratère de 70km de diamètre

obscurité à la surface de la Terre pendant plusieurs mois

trapps du deccan (Inde)

-65 Ma

Des millionsde km3 de lave
des poussières injectées dans la haute atmosphère

Forte diminution de l'intensité lumineuse parvenant à la surface de la Terre pendant plusieurs milliers d'années.
abaissement de la température de plusieurs degrés.

trapps de Sibérie (Russie)l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CORRIGE :

points

(Titre :) Les crises biologiques majeures et leur origine

 

(Introduction :) Comment montrer l'existence de cinq crises majeures et et quelles peuvent en être les causes ?

 

1. Réalité des cinq crises majeures
L'étude de la variation du nombre de familles depuis le Précambrien (document 1), montre un accroissement du nombre de familles au cours du temps interrompu par des régressions importantes. A la fin de l'Ordovicien, du Dévonien, du Permien, du Trias et du Crétacé, le nombre de familles diminue brutalement. Ceci permet d'identifier les cinq crises majeures dont parle E. Buffetaut. La crise Permo-Trias est marqué par la diminution la plus importante.

 

2. Les événements à l'origine de ces crises
Document 2 : des émissions massives de lave et des impacts météoritiques se sont succédés dans l'histoire de la Terre. Deux cratères de 30 et 90km de diamètre ont été repérés un peu avant la fin de l'Ordovicien. Les cratères d'Alamo (150km de diamètre) et de Woodleight (120km de diamètre) sont présents à la fin du Dévonien. Le cratère de Bedout (Australie, 210km de diamètre) et les trapps de Sibérie marquent la fin du Permien. Le cratère de Manicougan d'une centaine de km de diamètre et l'éruption des volcans islandais marque la fin du Trias. Enfin, le cratère de Chicxulub de 180km de diamètre et les trapps du Deccan marquent la fin du Crétacé. Ces événements semblent corrélés avec les crises (peut-être un peu moins pour la fin de l'Ordovicien).

Document 3 : en projetant des "poussières" dans la haute atmosphère, la chute d'une météorite d'un diamètre supérieur à 10km et signalée par un cratère de plus de 70km de diamètre, aussi bien que des éruptions volcaniques de grande ampleur signalées par des trapps sont à l'origine d'une baisse de l'intensité lumineuse et d'un refroidissement climatique de plusieurs degrés. On peut donc penser que les plantes chlorophyliennes régresseront entrainant une forte perturbation dans les réseaux alimentaires.

 

(Conclusion, synthèse : ) il existe une relation entre l'ampleur de la crise et la coincidence entre éruption volcanique et impact météoritique d'une part, entre l'ampleur de la crise et diamètre du ou des cratères d'impact d'autre part. Cette relation est bien marquée pour la crise Permo-Trias. On ne repère pas d'éruption volcanique associée aux deux crises les plus anciennes.

Les deux causes possibles évoquées par les documents ont-elles joué simultanément ? ont-elles la même importance ?