Des coquilles fossilisées microscopiques aident les géologues à reconstruire le climat de la Terre pendant le maximum thermique paléocène-éocène (PETM), une période de réchauffement climatique brutal et d'acidification des océans qui s'est produite il y a 56 millions d'années. Les indices de ces anciennes coquilles peuvent aider les scientifiques à mieux prédire le réchauffement futur et l'acidification des océans provoqués par les émissions de dioxyde de carbone d'origine humaine.

Dirigé par l'Université Northwestern, les chercheurs ont analysé des coquilles de foraminifères, un organisme unicellulaire océanique avec une coquille externe faite de carbonate de calcium. Après avoir analysé la composition isotopique du calcium des fossiles, les chercheurs ont conclu que l'activité volcanique massive a injecté de grandes quantités de dioxyde de carbone dans le système terrestre, provoquant le réchauffement climatique et l'acidification des océans.

Ils ont également découvert que le réchauffement climatique et l'acidification des océans n'affectaient pas seulement passivement les foraminifères. Les organismes ont également réagi activement en réduisant les taux de calcification lors de la construction de leurs coquilles. Au fur et à mesure que la calcification ralentit, les foraminifères consommaient moins d'alcalinité de l'eau de mer, qui a contribué à amortir l'augmentation de l'acidité des océans.

"La formation et la dissolution du carbonate de calcium aident à réguler l'acidité et l'alcalinité de l'eau de mer, " a déclaré Andrew Jacobson de Northwestern, un auteur principal de l'étude. "Nos données sur les isotopes de calcium indiquent que la calcification foraminifère réduite a contribué à atténuer l'acidification des océans avant et à travers le PETM."

"C'est un concept assez nouveau dans le domaine, " a ajouté Gabriella Kitch, le premier auteur de l'étude. "Précédemment, les gens pensaient que seule la dissolution des carbonates au fond de la mer pouvait augmenter l'alcalinité de l'océan et atténuer les effets de l'acidification des océans. Mais nous ajoutons aux études existantes qui montrent qu'une diminution de la production de carbonate a le même effet tampon."

La recherche a été publiée en ligne la semaine dernière (4 mars) dans la revue Géologie . Il s'agit de la première étude à examiner la composition isotopique du calcium des foraminifères pour reconstruire les conditions avant et à travers le PETM et la troisième étude récente du Nord-Ouest à découvrir que l'acidification des océans - due aux émissions de dioxyde de carbone volcanique - a précédé les grandes catastrophes environnementales préhistoriques, comme les extinctions massives, événements anoxiques océaniques et périodes de réchauffement climatique intense.

Jacobson est professeur de sciences de la Terre et des planètes au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern. Kitch est titulaire d'un doctorat. candidat et chercheur diplômé de la National Science Foundation dans le laboratoire de Jacobson. Bradley Sageman et Matthew Hurtgen, professeurs de sciences de la Terre du Nord-Ouest, ainsi que des collaborateurs de l'Université de Californie-Santa Cruz (UCSC) et de l'Université du Kansas, co-auteur de l'article avec Jacobson et Kitch.

Tri des coquilles microscopiques

Pour étudier les conditions océaniques pendant le PETM, les chercheurs ont examiné la composition isotopique du calcium de fossiles de foraminifères collectés sur deux sites, l'un dans le sud-est de l'océan Atlantique et l'autre dans l'océan Pacifique, par l'Ocean Drilling Program.

Parce que chaque coquille fossilisée a à peu près la taille d'un seul grain de sable, Les chercheurs de l'UCSC ont physiquement collecté les minuscules spécimens en les identifiant d'abord au microscope. Après avoir trié les coquilles des sédiments en vrac, l'équipe de Northwestern a dissous les échantillons et analysé leur composition en isotopes de calcium à l'aide d'un spectromètre de masse à ionisation thermique.

« Le travail est très exigeant, " a déclaré Jacobson. " Pour manipuler ces minuscules matériaux, il faut les ramasser, un par un, avec la pointe d'un pinceau humide sous un microscope."

Stress avant PETM

Comme les coquilles se sont formées il y a plus de 56 millions d'années, ils ont répondu aux conditions océaniques. En examinant ces coquilles, l'équipe de Northwestern a découvert que les rapports isotopiques du calcium augmentaient avant le début du PETM.

"Nous examinons un groupe d'organismes qui ont construit leurs coquilles dans une partie de l'océan, enregistrer la chimie de l'eau de mer qui les entoure, " Kitch a dit. " Nous pensons que les données d'isotopes de calcium révèlent un stress potentiel avant la limite bien connue. "

D'autres archives indiquent que le système atmosphère-océan a connu une libération massive de dioxyde de carbone juste avant le PETM. Lorsque le dioxyde de carbone atmosphérique se dissout dans l'eau de mer, il forme un acide faible qui peut inhiber la formation de carbonate de calcium. Bien qu'il soit encore indéterminé, Les scientifiques de la Terre pensent que la libération de carbone est probablement due à une activité volcanique ou à des effets en cascade, comme une libération d'hydrates de méthane du fond marin à la suite du réchauffement des océans.

"Je soupçonne que ce sont ces deux facteurs ou une sorte de combinaison, " a déclaré Sageman. " La plupart des grands événements de l'histoire de la Terre représentent une confluence de nombreux acteurs se réunissant en même temps. "

Un modèle cohérent se dégage

Il s'agit de la troisième étude menée par Jacobson à constater que l'acidification des océans précède les catastrophes environnementales majeures qui sont en corrélation avec les grandes éruptions des provinces ignées. Le mois dernier, L'équipe de Jacobson a publié des résultats concluant que l'activité volcanique a déclenché une crise de biocalcification avant un événement anoxique océanique qui s'est produit il y a 120 millions d'années. Il y a un peu plus d'un an, L'équipe de Jacobson a publié une autre étude révélant que l'acidification des océans a précédé l'impact de l'astéroïde menant à l'extinction massive du Crétacé-Paléogène il y a 66 millions d'années, qui comprenait la disparition des dinosaures.

Dans les trois études, L'équipe de Jacobson a utilisé des outils sophistiqués dans son laboratoire pour analyser la composition isotopique du calcium des fossiles de carbonate de calcium et des sédiments. Jacobson a déclaré qu'une tendance claire se dessinait. Les afflux de dioxyde de carbone ont conduit au réchauffement climatique et à l'acidification des océans et, finalement, à des changements environnementaux massifs.

« Dans toutes nos études, nous voyons constamment une augmentation des rapports isotopiques du calcium avant le début des événements majeurs ou des horizons d'extinction, " Jacobson a déclaré. "Cela semble indiquer des moteurs similaires et des réponses communes."

"Peut-être que le système isotopique du calcium a une sensibilité aux premières phases de ces événements, " ajouta Sageman.

Prédicteur du futur stress océanique

De nombreux chercheurs étudient le PETM car il fournit le meilleur analogue pour le jour actuel, réchauffement climatique d'origine humaine. L'afflux de carbone au cours du PETM est similaire à la quantité de carbone libérée au cours des deux derniers siècles. Les délais, cependant, diffèrent sensiblement. Les températures pendant le PETM ont augmenté de 5 à 8 degrés Celsius sur 170, 000 ans. Avec le changement climatique causé par l'homme, le même niveau de réchauffement devrait se produire dans moins de 200 ans, si les émissions de dioxyde de carbone restent inchangées.

Effrayant, stress terrestre et océanique, incluant une diminution importante de la calcification des foraminifères, accompagné le PETM.

"Le PETM est un modèle de ce qui se passe lors des grandes perturbations du cycle du carbone, ", a déclaré Jacobson. "Beaucoup de prédictions pour le climat futur de la Terre reposent sur la compréhension de ce qui s'est passé pendant le PETM."