Temps géologiques et extinctions de masse

Les 4 éons des temps géologiques

Il y a 4,55 milliards d'années, des poussières d'anciennes étoiles géantes constituent la nébuleuse protosolaire, elles sont en rotation autour de ce qui deviendra notre Soleil. La Terre n'est pas encore constituée.
Le disque qui entoure le proto-soleil se contracte et s'échauffe dès sa naissance, lorsque sa taille atteint les 200 unités astronomiques au, il commence à se solidifier et les atomes se collent les uns aux autres pour former des grains de matière. Peu à peu se met en place le phénomène d'accrétion qui va conduire à la formation des planètes.
Ainsi, des grains de poussières se condensent, la gravité augmente, l'espace se creuse, attirant de plus en plus d'objets, petits et gros qui se percutent les uns les autres. Au fil du temps une immense sphère, recouverte de lave incandescente, apparait. A ce moment là, la jeune Terre ressemble à une énorme boule rocheuse en fusion, constamment bombardée par des millions d'objets plus ou moins gros qui croisent son orbite.
Tout au long de son histoire, la Terre a laissé des traces qui nous ont permis de définir des époques caractéristiques marquées par les éons géologiques.
Avant d'arriver à l'homme, l'évolution est passée par les microorganismes, les animaux à squelette externe dans les mers, les poissons, les reptiles marins et terrestres, les végétaux, les insectes, les dinosaures, les mammifères et les primates. Toutes ces phases de l'évolution ont été entrecoupées par des crises géophysiques, climatiques et volcaniques plus ou moins visibles dans les couches géologiques.

Aujourd'hui, nous savons identifier les crises biologiques durant les temps fossilifères et nous constatons que chaque crise, de la plus petite à la plus grande, a engendré des pertes en biodiversité. Ces pertes sont visibles sur la courbe de la biodiversité réalisée en 2005 par Robert A. Rohde & Richard A. Muller (image ci-jointe).
La Terre n'est qu'à la moitié de sa vie et les ères géologiques à venir sont encore très longues.
Les temps géologiques s'étendent d'aujourd'hui à, il y a 4,5 milliards d'années, époque de la naissance de la Terre. Cette histoire commence par le premier des quatre éons géologiques, l'hadéen qui a duré ≈700 millions d'années, puis vient l'archéen (≈1300 ma), le protérozoïque (≈2000 ma) et se termine par le phanérozoïque (≈540 ma).
Les ères les mieux définies se situent naturellement sur les derniers millions d'années, la précision des datations diminue avec les temps anciens mais pour les paléontologues l'unité de datation la plus précise est le million d'années.
Les paléontologues étudient les restes fossiles du passé, découverts dans les roches sédimentaires, pour classer, compter les espèces fossiles disparues, mais aussi pour comprendre l'évolution des êtres vivants, leur environnement et pour fixer les époques géologiques de notre planète.
Les espèces vivent en moyenne 1 million d'années, puis elles disparaissent ou se transforment en une autre espèce. C'est au phanérozoïque que la biodiversité explose malgré cinq catastrophes majeures.

Image : Evolution du nombre de genres (ensemble d'espèces) pendant le phanérozoïque, d'après une étude réalisée en 2005 par Robert A. Rohde & Richard A. Muller (Department of Physics and Lawrence Berkeley Laboratory). La diversité de la vie semble fluctuer durant le phanérozoïque, cette courbe montre les changements apparents dans la biodiversité marine tout au long des 542 millions d'années du phanérozoïque. Il y a 3 ères dans le phanérozoïque, l'ère primaire (542 à 250 ma), l'ère secondaire (250 à 65 ma) et l'ère tertiaire (65 ma à maintenant). Ces ères sont marquées par de grandes extinctions de masse, en particulier celle qui a eu lieu il y a 250 ma et celle qui a eu lieu il y a 65 ma. Depuis la dernière grande extinction de masse il y a 65 ma, la vie n'a jamais été aussi diverse qu'aujourd'hui.

Le phanérozoïque

La plus intéressante des grandes ères géologiques pour la biodiversité est la plus récente, le phanérozoïque.
Le phanérozoïque (du grec phaneros, "visible", et zôon, "animal") est l'ère d'apparition des petits animaux, des poissons et des plantes. Cet éon couvre les 542 derniers millions d'années de l'histoire de la Terre. En effet c'est au Cambrien, la première des six périodes du Paléozoïque, qu'apparaissent les petits animaux à coquilles, les foraminifères.
Les foraminifères, extrêmement diversifiés, sont présents en abondance depuis plusieurs centaines de millions d'années, ce qui explique leur importance écologique et scientifique. En effet, c'est grâce à ces fossiles du passé que les paléontologues comptent les familles, les genres et les espèces disparues.
Bien que les espèces ne vivent en moyenne qu'un million d'années avant de disparaitre ou de se transformer en une autre espèce, c'est en comptant les genres biologiques, c'est-à-dire les ensembles d'espèces ayant en commun plusieurs caractères similaires que les scientifiques arrivent à estimer la diversité du vivant sur de longues périodes. Ils se basent pour cela sur la première et la dernière apparition des 36 380 genres (voir nota) enregistrés dans le recueil Sepkoski Compendium de 2002 (recueil des genres d'animaux marins compilées par Sepkoski et ses associés à l'Université de Chicago).
Le phanérozoïque est la période où la biodiversité a explosé.
Au début du Phanérozoïque, les masses continentales étaient regroupées dans un supercontinent que les paléontologues appellent la Pangée. La Pangée été entourée par un vaste océan appelé Panthalassa. Dans le creux du croissant formé par la Pangée se trouvait un autre océan appelé Téthys.
Pendant le Phanérozoïque, les forces gigantesques internes de la Terre vont fracturer ce supercontinent, qu'est la Pangée, en plaques continentales, faisant dériver ces plaques jusqu'à leur position actuelle. La Terre est la seule planète à avoir une tectonique des plaques active et toute la puissance est concentrée aux frontières des plaques.
Les forces en jeu pour déplacer une douzaine de plaques lithosphériques rigides de 80 à 100 km d’épaisseur, sur des milliers de km de distance sont considérables, et l'énergie dégagée est à l'image des grandes provinces ignées. Une grande province ignée est une très vaste région, une partie de continent, constituée de couches basaltiques issues d'une expulsion volcanique colossale.

N. B. : le genre biologique regroupe un ensemble d'espèces ayant en commun plusieurs caractères similaires. Toute espèce vivante ou ayant vécu (animal, plante, champignon, bactérie…) est rattachée à un genre. Aujourd'hui on estime qu'il y a plus de 300 000 genres.

Ces flots de liquide rocheux non explosifs ont libérés pendant des dizaines de milliers d'années, des quantités gigantesques de gaz soupçonnées être à l'origine des extinctions de masse du passé.
Par exemple les trapps du Deccan, dans la grande province ignée de l'ouest de l'Inde, sont un empilement de coulées de lave de 10 à 150 mètres d'épaisseur, la hauteur totale de l'empilement atteint 2 400 m dans la partie occidentale. Le volume total est de 3 millions de km3, ce qui correspond à une d'épaisseur de lave de 6 km sur la France entière. Les épisodes éruptifs se sont succédés pendant des centaines de milliers d'années jusqu'à un million d'années pour former les trapps. Pour extraire cette quantité de lave des profondeurs de la Terre, les volcanologues estiment qu'il faut fondre environ 10 fois plus de matière rocheuse, ainsi le volume fondu devait être de 30 millions de km3, c'est-à-dire une sphère d'environ 200 km de rayon à l'intérieur du manteau terrestre. Cela donne une idée de la dynamique de l'intérieur de la Terre, de la puissance du moteur convectif de la tectonique des plaques. Les trapps du Deccan se sont formés il y a 60 à 68 millions d'années, ce qui correspond à la crise Crétacé-Tertiaire (KT).
Il y a des trapps encore plus gigantesques que les trapps du Deccan. Il y a environ 205 millions d'années, la province ignée centre atlantique de l'époque recouvrait un volume total de 7 millions de km3. Ces trapps sont situés aujourd'hui en Afrique de l'Ouest, le long de la côte Est de l'Amérique, en Guyane, au Venezuela et au Portugal.
Et que dire des trapps de Sibérie, encore plus monstrueuses, ils sont sortis de terre il y a 250 millions d'années et correspondent à moins d'un million d'années près, à la plus grande crise biologique de tous les temps, l'extinction de masse du Permien-Trias.
Au cours de la crise Permien-Trias, 55% des familles ont disparues, ce qui correspond à 80% des genres et à 95% des espèces. L'extinction fut presque totale, mais la vie est repartie de plus belle jusqu'à la crise suivante. Les ères géologiques sont définies par ces changements brutaux de l'évolution de la faune.
Dans la fluctuation de l'évolution des genres de la biodiversité marine (image ci-jointe), on pourrait y voir une certaine régularité, une décroissance de la vie avec une périodicité d'environ 62 millions d'années. Il serait tentant de croire que cela ne peut être du au hasard, mais les experts ne sont pas d'accord sur les causes de ces extinctions petites et grandes. De nombreuses causes sont avancées, les processus astronomiques, les processus géophysiques, les biais observationnels, tous à la frontière entre la géophysique, l'évolution du climat, l'exhalaison d'un volcanisme extrêmement intense, les bombardements météoritiques, les processus de l'évolution de la vie, ou une accumulation de toutes ces causes en un temps "très bref" à l'échelle géologique.

Image : Intensité des extinctions de masse dans le phanérozoïque. Les cinq grandes catastrophes de l'histoire de la Terre ont eu lieu à la fin du crétacé (End K), à la fin du Trias (End Tr), à la fin du Permien (End P), dans le Dévonien supérieur (Late D) et à la fin de l'Ordovicien (End O). Crédit image : GNU Free Documentation License.

Tableau : Les cinq grandes catastrophes de l'histoire récente de la Terre (derniers 540 ma). Ces chiffres sont probablement biaisés, mais ils ont le mérite de faire ressortir la crise Permien-Trias comme celle qui a été la plus dévastatrice, et la crise Crétacé-Tertiaire, la plus connue et cependant la moins meurtrière. Les successions d'éruptions volcaniques les unes après les autres auraient-elles eu un impact sur l'évolution de la biodiversité en participant aux extinctions de masse ?

Image : Les éons géologiques, de l'Hadéen au phanérozoïque, les derniers 540 millions d'années sont les mieux datés. Crédit astronoo.