La température d'une planète est liée à la diversité de la vie qu'elle peut supporter. Les géologues du MIT ont maintenant reconstitué une chronologie de la température de la Terre au début de l'ère paléozoïque, il y a entre 510 et 440 millions d'années, une période charnière au cours de laquelle les animaux sont devenus abondants dans un monde auparavant dominé par les microbes.

Dans une étude publiée aujourd'hui dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , les chercheurs ont relevé les creux et les pics de la température mondiale au début du Paléozoïque. Ils rapportent que ces variations de température coïncident avec la diversité changeante de la vie sur la planète :des climats plus chauds ont favorisé la vie microbienne, tandis que des températures plus fraîches ont permis à des animaux plus divers de s'épanouir.

Le nouveau record, plus détaillé que les chronologies précédentes de cette période, est basé sur l'analyse de l'équipe des boues carbonatées, un type courant de calcaire qui se forme à partir de sédiments riches en carbonate déposés sur le fond marin et compactés sur des centaines de millions d'années.

"Maintenant que nous avons montré que vous pouvez utiliser ces boues carbonatées comme archives climatiques, qui ouvre la porte à un regard rétrospectif sur toute cette autre partie de l'histoire de la Terre où il n'y a pas de fossiles, quand les gens ne savent pas grand-chose sur le climat, " dit l'auteur principal Sam Goldberg, un étudiant diplômé du Département de la Terre du MIT, Atmosphérique, et sciences planétaires (EAPS).

Les co-auteurs de Goldberg sont Kristin Bergmann, le D. Reid Weedon, Professeur junior en développement de carrière à l'EAPS, avec Theodore Present de Caltech et Seth Finnegan de l'Université de Californie à Berkeley.

Au-delà des fossiles

Pour estimer la température de la Terre il y a plusieurs millions d'années, les scientifiques analysent les fossiles, en particulier, restes d'anciens organismes décortiqués qui ont précipité de l'eau de mer et se sont développés ou ont coulé sur le fond marin. Lorsqu'il y a des précipitations, la température de l'eau environnante peut modifier la composition des coquilles, modifier les abondances relatives de deux isotopes de l'oxygène :l'oxygène-16, et l'oxygène-18.

"Par exemple, si le carbonate précipite à 4 degrés Celsius, plus d'oxygène-18 se retrouve dans le minéral, à partir de la même composition d'eau de départ, [comparé à] carbonate précipitant à 30 degrés Celsius, " explique Bergmann. " Alors, le rapport de l'oxygène-18 à -16 augmente à mesure que la température se refroidit."

De cette façon, les scientifiques ont utilisé d'anciennes coquilles de carbonate pour remonter la température de l'eau de mer environnante - un indicateur du climat global de la Terre - au moment où les coquilles se sont précipitées pour la première fois. Mais cette approche n'a conduit les scientifiques que jusqu'à présent, jusqu'aux premiers fossiles.

"Il y a environ 4 milliards d'années d'histoire de la Terre où il n'y avait pas de coquilles, et donc les obus ne nous donnent que le dernier chapitre, " dit Goldberg.

Un signal isotopique concentré

La même réaction de précipitation dans les coquilles se produit également dans la boue carbonatée. Mais les géologues ont supposé que l'équilibre isotopique dans les boues carbonatées serait plus vulnérable aux changements chimiques.

"Les gens ont souvent négligé la boue. Ils pensaient que si vous essayez de l'utiliser comme indicateur de température, vous ne regardez peut-être pas la température originale de l'océan dans laquelle il s'est formé, mais la température d'un processus qui s'est produit plus tard, quand la boue était enfouie à un kilomètre sous la surface, " dit Goldberg.

Pour voir si les boues carbonatées pourraient préserver les signatures de leur température environnante d'origine, l'équipe a utilisé « la géochimie des isotopes regroupés, " une technique utilisée dans le laboratoire de Bergmann, qui analyse les sédiments pour l'agglutination, ou jumelage, de deux isotopes lourds :l'oxygène-18 et le carbone-13. La probabilité que ces isotopes s'apparient dans les boues carbonatées dépend de la température, mais n'est pas affectée par la chimie océanique dans laquelle les boues se forment.

La combinaison de cette analyse avec les mesures traditionnelles des isotopes de l'oxygène fournit des contraintes supplémentaires sur les conditions rencontrées par un échantillon entre sa formation d'origine et le présent. L'équipe a estimé que cette analyse pourrait être une bonne indication pour savoir si les boues carbonatées sont restées inchangées en composition depuis leur formation. Par extension, cela pourrait signifier que le rapport oxygène-18 à -16 dans certaines boues représente avec précision la température d'origine à laquelle les roches se sont formées, permettant leur utilisation comme relevé climatique.

Des hauts et des bas

Les chercheurs ont testé leur idée sur des échantillons de boues carbonatées qu'ils ont extraits de deux sites, un au Svalbard, un archipel dans l'océan Arctique, et l'autre dans l'ouest de Terre-Neuve. Les deux sites sont connus pour leurs roches exposées qui remontent au début de l'ère paléozoïque.

En 2016 et 2017, les équipes se sont d'abord rendues au Svalbard, puis Terre-Neuve, collecter des échantillons de boues carbonatées à partir de couches de sédiments déposés couvrant une période de 70 millions d'années, du milieu du Cambrien, quand les animaux ont commencé à prospérer sur Terre, à travers les périodes ordoviciennes de l'ère paléozoïque.

Lorsqu'ils ont analysé les échantillons pour les isotopes agglutinés, ils ont découvert que de nombreuses roches avaient subi peu de changements chimiques depuis leur formation. Ils ont utilisé ce résultat pour compiler les rapports isotopiques de l'oxygène des roches de 10 sites différents du Paléozoïque inférieur afin de calculer les températures auxquelles les roches se sont formées. Les températures calculées à partir de la plupart de ces sites étaient similaires aux enregistrements de températures fossiles à plus faible résolution précédemment publiés. À la fin, ils ont cartographié une chronologie des températures au début du Paléozoïque et l'ont comparée aux archives fossiles de cette période, pour montrer que la température avait un effet important sur la diversité de la vie sur la planète.

"Nous avons constaté que lorsqu'il faisait plus chaud à la fin du Cambrien et au début de l'Ordovicien, il y avait aussi un pic d'abondance microbienne, " dit Goldberg. " À partir de là, il s'est refroidi en passant du milieu à la fin de l'Ordovicien, quand on voit d'abondants fossiles d'animaux, avant qu'une période glaciaire importante ne mette fin à l'Ordovicien. Auparavant, les gens ne pouvaient observer les tendances générales qu'à l'aide de fossiles. Parce que nous avons utilisé une matière très abondante, nous pourrions créer un enregistrement à plus haute résolution et voir des hauts et des bas plus clairement définis."

L'équipe cherche maintenant à analyser des boues plus anciennes, datant d'avant l'apparition des animaux, pour évaluer les changements de température de la Terre avant il y a 540 millions d'années.

"Pour remonter au-delà de 540 millions d'années, nous devons lutter contre les boues carbonatées, parce qu'ils sont vraiment l'un des rares records que nous ayons à contraindre le climat dans un passé lointain, " dit Bergmann.