Enquête sur la disparition des dinosaures - 22/09/2003

• c) Les indices géologiques de la crise

En plus des êtres vivants disparus et des variations climatiques précédemment discutées, de très nombreux indices géologiques ont été découverts et sont indispensables pour tenter de comprendre ce qui s'est effectivement passé il y a 65 millions d'années.

Les trapps du Deccan

En Inde, il est possible d'observer d'immenses empilements de lave basaltique, qui se sont formés au cours de la crise Crétacé-Tertiaire, connus sous le nom de trapps du Deccan.

La dimension des trapps du Deccan suggère que la formation de ceux-ci a été un événement volcanique majeur de l'histoire de la Terre. Ainsi, selon Vincent Courtillot, certaines coulées recouvrent plusieurs dizaines de milliers de km², et leur volume dépasse 10 000 km³ ; l'épaisseur des coulées est en moyenne comprise entre 10 et 50 mètres, mais certaines atteignent 150 mètres ; dans la partie occidentale de l'Inde, l'épaisseur totale des trapps dépasse 2400 mètres (la moitié de la hauteur du Mont Blanc). A l'origine, l'ensemble devait recouvrir plus de 2 millions de km², et le volume de lave dépasser 2 millions de km³.

Les trapps du Deccan (Inde) : des empilements de coulées volcaniques de plusieurs dizaines de milliers de km², vieilles de 65 millions d'années. Copyright : Bibliothèque Pour La Science

Cet épisode volcanique est donc exceptionnel ; il existe également de telles formations en Sibérie et en Ethiopie, elles-même associées à des périodes d'extinction (respectivement crise Permo-Trias -250 millions d'années et la « Grande Coupure », à la fin de l'Eocène -34 millions d'années). Mais récemment, une datation plus précise des trapps d'Ethiopie (-30 millions d'années) a révélé qu'il n'y avait probablement pas de relation de cause à effet entre cet épisode volcanique et la phase d'extinction de masse Eocène/Oligocène.

La datation des trapps du Deccan par les radio-isotopes et par le paléomagnétisme montre que des coulées se sont déposées pendant une période assez brève géologiquement parlant : entre 63 et 68 millions d'années (plus probablement sur une période d'un peu plus d'un million d'années). Les sédiments situés sous les premières coulées de laves renferment des fragments d'ossements de dinosaures qui datent du Maastrichtien, dernière subdivision du Crétacé. On a également retrouvé des dents de dinosaures et de Mammifères, et des fragments d'œufs de dinosaures, toujours d'âge maastrichtien, dans les couches sédimentaires intercalées entre certaines coulées situées à la base des trapps.

Les mécanismes de formation de ces épisodes d'épanchements volcaniques sont maintenant bien compris ; il s'agit d'un volcanisme de point chaud, comme celui du Kilauea à Hawaï ou du Piton de la Fournaise à la Réunion. Ils sont la conséquence de la remontée de roches chaudes du manteau terrestre vers la surface.

Les perturbations de l'environnement mondial responsables de la fin des dinosaures seraient-elles dues aux effets des produits éjectés par ce volcanisme intense ? Nous en reparlerons plus loin ; pour l'instant, continuons notre collecte des indices de la crise…

Des indices d'un impact cataclysmique

Nous sommes à la fin des années 1970 lorsque Walter Alvarez, géologue à l'Université de Berkeley et son père Luis Alvarez, prix Nobel de physique en 1968, décident pour la toute première fois d'étudier les concentrations de métaux rares dans les couches sédimentaires de la limite K/T. Ils se rendent en Italie, dans la région des Apennins où la coupe géologique de Gubbio montre des terrains secondaires et tertiaires.

Entre les terrains du Crétacé et ceux du Tertiaire : une fine couche d'argile sombre… Cliché : E.Buffetaut

Leurs analyses géochimiques se concentrent sur la fine couche d'argile située exactement à la limite entre le Crétacé et le Paléocène (première période de l'ère Tertiaire). Les résultats sont pour le moins inattendus : elles révèlent une teneur en iridium (métal de la famille du platine) 100 fois plus élevée que dans les roches de la croûte terrestre.

Comme tous les autres métaux de sa famille, l'iridium est extrêmement rare dans les roches de l'écorce terrestre (moins de 0,05 nanogramme par gramme ou 0,05 partie par milliard), mais relativement abondant dans les objets extraterrestres comme les météorites (elle peut atteindre 500 parties par milliard dans les chondrites carbonées). Tout l'iridium de notre planète est lié au fer concentré dans le noyau terrestre. Sa faible persistance dans la croûte est le résultat d'une fine pluie de micrométéorites qui tombe en permanence sur Terre.

Ainsi, soit la couche d'argile a mis des millions d'années à se déposer, ce qui ne semble pas le cas dans le gisement étudié, soit il faut faire intervenir un épisode d'enrichissement : afflux énorme de matière météoritique par exemple.

L'annonce de la découverte de l'anomalie en iridium a suscité une quantité phénoménale de travaux et depuis, cette anomalie a été mise en évidence dans des dizaines de sites marins (par exemple dans le fameux site d'El Kef, en Tunisie) et continentaux (y compris en France) dispersés sur toute la surface de la planète.

Cette anomalie en iridium est donc le témoin d'un phénomène mondial qui s'est déroulé à la limite Crétacé – Tertiaire, mais quel en est son origine ? Est-il d'origine extraterrestre, volcanique ou de phénomènes sédimentaires mal connus ?

La découverte d'une émission d'iridium pendant l'éruption du Kilauea, un volcan de point chaud à Hawaï, fit penser un moment que l'anomalie chimique pouvait être le résultat de l'épisode volcanique intense qui a formé les trapps du Deccan. Mais cette explication est contredite par plusieurs points fondamentaux, notamment :

• l'émission d'iridium par les volcans de type hawaïen est beaucoup trop faible par rapport aux énormes quantités de ce métal contenu dans les sédiments de la limite K-T (500 000 tonnes environ pour l'ensemble de la Terre).

• la teneur en iridium des roches volcaniques du Deccan est plus proche des valeurs observées dans les roches de l'écorce terrestre que de la teneur des basaltes hawaïens.

• l'anomalie en iridium est bien présente sur le plateau du Deccan, mais elle est localisée dans certains niveaux sédimentaires intercalés entre deux épisodes d'activité volcanique : l'apport d'iridium n'a donc pas eu lieu pendant une période d'éruption.

Enfin, il s'est avéré que la couche d'argile de la limite Crétacé-Tertiaire contient de nombreux autres indices d'un impact d'origine extraterrestre : des minéraux fracturés (les « quartz choqués »), des microsphérules, des spinelles ou des magnétites nickélifères, de fortes concentrations de suie, etc.

Microsphérule Copyright : T.Culler, Apollo 11 Crew/NASA

Les microsphérules sont de microscopiques boules de verre, que Jan Smit, de l'Université libre d'Amsterdam, a découvertes pour la première fois en 1981. Selon lui, elles sont analogues aux tectites et résultent du refroidissement rapide de gouttelettes de roches en fusion projetées dans l'atmosphère lors de la collision d'un objet céleste.

La présence de suie et de cendres sont deux autres signatures d'un impact : dans les sédiments de la fin du Crétacé de certains gisements, ces restes sont des milliers de fois plus abondants qu'habituellement. Ils sont dus à la transformation de la végétation lors de gigantesques incendies. Certaines estimations évoquent ainsi un incendie global qui aurait consommé plus de 50 % de la biomasse coontinentale.

Les minéraux riches en nickel n'existent ni dans les roches magmatiques ni dans les météorites riches en nickel ; ils ne sont observés que dans la partie des météorites qui fond et s'oxyde pendant la phase de pénétration dans l'atmosphère. Leur distribution extrêmement étroite, coïncidant exactement avec l'apparition de fortes concentrations en iridium mais aussi avec la diminution des carbonates dans les sédiments marins signature géologique d'un crise du plancton, témoigne de la brièveté et du caractère catastrophique d'un événement cosmique à la limite K-T.

Au début des années 1990, des études ont démontré que les cristaux de quartz de la limite K-T sont identiques aux quartz des cratères d'impact et méritent l'appellation « quartz choqués ». Le quartz est si stable que même dans les conditions de pression et de température qui règnent au sein de la Terre, un choc ne pourrait le transformer à ce point. La présence de ces quartz choqués ne peut donc s'expliquer que par les effets mécaniques (onde de choc d'une extrême puissance) d'un impact à grande vitesse sur une roche contenant des cristaux de quartz.

Cristal de Quartz choqué,provenant de sédiments K/T de Frenchman Valley au Canada Cliché : H.Leroux, UST de Lille

Comme l'ont montré Robert Rocchia et Eric Robin, cette dernière indication est de première importance pour la localisation du lieu d'impact : il est inutile de chercher le cratère au fond des océans, puisque la croûte océanique ne contient pas de quartz ; l'impact s'est produit sur un morceau de croûte continentale. Or les quartz choqués sont plus abondants sur le continent Nord-américain, autour du golfe du Mexique et dans la région des Caraïbes…
De plus, la découverte d'autres minéraux, des zircons choqués, révèle qu'ils proviennent d'une croûte continentale âgée d'environ 540 millions d'années. Cette indication permet d'écarter le continent Nord-américain, sur lequel un candidat (le cratère de Manson) avait été proposé : les roches cristallines qui constituent ce continent sont vieilles d'un milliard et demi d'années environ.

Autour du golfe du Mexique, la séquence des dépôts de la limite Crétacé-Tertiaire se complique : elle comporte, intercalé entre la couche de microsphérules et le niveau à iridium, un banc de grès. La morphologie de ces sables grossiers indique la rapidité et la violence de leur dépôt, que l'on définit sous le terme de tsunamites. Or ces roches sont considérées comme le résultat d'un énorme raz-de-marée, ayant ravagé ici les côtes du Mexique ; ce raz-de-marée est très probablement une conséquence locale d'un impact. Le cratère ne doit pas être loin…

Dès les années 1950, le Yucatán était bien connu des géologues qui avaient repéré à partir de profils sismiques une structure annulaire centrée sur la ville de Merida. La Pemex, société pétrolière mexicaine, effectue alors les premiers forages au cœur de cette cuvette. Les résultats sont peu encourageants : pas la moindre trace de pétrole… L'étrange structure annulaire du Yucatán est donc abandonnée et considérée comme une ancienne caldeira volcanique. A la fin des années 1970, de nouveaux forages amènent le géologue américain Glen Penfield et le géologue mexicain Antonio Camargo à des conclusions beaucoup plus prometteuses : cette structure annulaire d'environ 200 kilomètres de diamètre, avec une forte anomalie magnétique centrale, correspondrait selon eux à un cratère d'impact enfoui sous quelques centaines de mètres de sédiments d'âge tertiaire.

Reconstitution du cratère de Chicxulub, sur les côtes du Yucatán (Mexique). Copyright : LPI/USGS

Mais est-ce bien là le cratère qui, il y a 65 millions d'années, a provoqué les anomalies de la limite K-T ? Quelques analyses plus tard, force est de constater que c'est bien le cas : par exemple, la datation des roches fondues prélevées au cœur du cratère est de 64,98 ± 0,08 millions d'années, âge identique à celui des microsphérules trouvées dans les Caraïbes à plusieurs centaines de kilomètres de là. D'autre part, il s'agit bien d'un cratère d'impact puisque des roches broyées caractéristiques, les brèches, ont été découvertes dans les carottes de sondage, sous les sédiments qui comblent le cratère.

Roches formées suite à une onde de choc,
les brèches sont caractéristiques des cratères d'impact.
Copyright : W.Peredery

La structure annulaire du Yucatán est ainsi devenue le cratère d'impact de Chicxulub, qui est le nom d'un petit port de pêche, Puerto Chicxulub, situé sur le probable point d'impact (point zéro) ; une région d'où est natif Antonio Camargo, un des découvreurs. L'existence de ce cratère fut véritablement reconnue en 1993. Depuis cette date, l'hypothèse de l'impact d'un objet céleste sur Terre lors de la limite Crétacé-Tertiaire n'est plus contestable et est passée au rang de fait prouvé scientifiquement.

Avec un diamètre d'environ 200 kilomètres, le cratère de Chicxulub est l'un des plus vastes cratères d'impact connu sur Terre actuellement. Pour être responsable d'une structure aussi gigantesque, la météorite devait mesurer près de 10 km de diamètre et peser près de 1000 milliards de tonnes ! Sa vitesse de collision estimée entre 15 km/s (dans le cas d'un astéroïde) et 70 km/s (dans le cas d'une comète) a provoqué un choc qui émit une énergie correspondant à 10 000 fois celle émise par la déflagration de toutes les bombes de l'humanité (5 milliards de fois celle de la bombe atomique larguée sur Hiroshima le 6 août 1945).

• d) Discussion sur les théories de l'extinction de masse Crétacé-Tertiaire

A l'issue de cette enquête, il est donc possible de revenir sur certaines théories et les critiquer :

Ainsi, l'hypothèse de la variation du niveau marin présente de sérieux points faibles : s'il y eut bien une régression marine à la fin du Crétacé, il y en avait eu en fait beaucoup d'autres au cours du Mésozoïque, sans pour autant provoquer l'extinction des dinosaures ou des ammonites. Plus grave : dans les mers, les organismes les plus touchés par l'extinction furent ceux qui vivaient en pleine eau (notamment les organismes planctoniques) et non ceux qui vivaient sur le fond, contrairement à ce que prévoit cette hypothèse, qui ne rend pas bien compte des faits observés.

En ce qui concerne l'hypothèse de la dégradation graduelle du climat, nous avons vu qu'il existe bien des indices de changement climatiques à la fin du Crétacé, mais ils ne paraissent pas avoir été de très grande ampleur. En outre, bon nombre de reptiles dont on sait qu'ils ne peuvent supporter de basses températures, comme les crocodiles, survécurent sans dommage à la crise de la fin du Crétacé, alors que les dinosaures, qui étaient probablement moins sensibles aux changements climatiques, disparurent. Une extinction en masse due à une profonde dégradation à long terme du climat est donc peu probable.

Quant à l'impact d'un objet extraterrestre, nous avons vu que c'est aujourd'hui un fait reconnu ; en revanche, ses conséquences sont encore de l'ordre des hypothèses. Mais c'est le seul phénomène susceptible d'expliquer les extinctions rapides de la crise K-T.

Au cours des quatre derniers siècles, les volcans ont tué 281000 personnes dans le monde(dont 60% dans l'archipel indonésien) Ci-dessus : Le plus haut volcan actif d'Europe (3300 mètres d'altitude) surplombe la ville de Catane Sicile. Photographie : P.Bourseiller

Tournons-nous maintenant vers l'hypothèse du volcanisme intense à l'origine de la formation des trapps du Deccan. Comme nous l'avons évoqué, le volcanisme basaltique du Deccan n'est pas du type explosif qui expliquerait le mieux des effets à l'échelle mondiale et il a duré au moins un million d'années, alors que la plupart des extinctions paraissent avoir été très brutales. De plus, il ne peut pas expliquer à lui seul la teneur inhabituelle en iridium dans l'argile de la limite K-T, ou la présence de quartz choqué, de minéraux riches en nickel, etc. Enfin, d'autres épisodes de volcanisme intense se sont déroulés au cours de l'histoire de la Terre et ne sont pas forcément associés à des périodes d'extinction de masse.

« Proposée en 1980, l'hypothèse d'une collision entre la Terre et une météorite il y a 65 millions d'années a soulevé de nombreuses protestations. Et même si dès le milieu du XVIIIème siècle l'académicien Pierre-Louis de Maupertuis envisageait déjà les conséquences biologiques d'un impact météoritique, au début des années 1980, la communauté scientifique ne s'arrange pas d'une telle théorie catastrophiste. Elle préfère sans conteste les thèses gradualistes plus familières et plus conformes à l'idée de beaucoup de scientifiques que l'histoire géologique et biologique de notre planète est réglée méthodiquement par des changements lents et progressifs. Ces thèses envisagent, à la fin du Crétacé, une lente dégradation des écosystèmes jusqu'à la disparition de plus de la moitié du monde vivant. » C. Souillat et P. Claeys, Dinosauria

Un point important dans la discussion sur les extinctions en masse est la rapidité des extinctions. A l'échelle des temps géologiques, on considère une extinction rapide lorsqu'elle s'étale sur quelques milliers à quelques dizaines de milliers d'années : une goutte d'eau par rapport aux 4,55 milliards d'années que compte la Terre. Au contraire, on peut parler d'extinction graduelle si elle s'étend sur au moins 1 million d'années.

Il est très difficile d'évaluer la rapidité d'extinction d'un groupe d'êtres vivants : comme la fossilisation est un phénomène exceptionnel et la découverte de fossiles très rare, les derniers restes fossiles connus d'une espèce ne correspondent probablement pas au moment de la véritable extinction de cette espèce. Ainsi, des extinctions apparentes surviennent dans l'enregistrement fossile avant la véritable période d'extinction.

D'après des travaux récents de chercheurs américains, la disparition des ammonites dans les derniers mètres du Crétacé évoque une extinction graduelle, mais la répartition de la plupart des espèces d'ammonites est compatible avec l'hypothèse de leur extinction soudaine à la limite Crétacé-Tertiaire.

Quelles sont les espèces qui se sont éteintes rapidement et celles qui se sont éteintes graduellement à la fin du Crétacé ?

Bien qu'il persiste encore certains paléontologues réticents, il existe aujourd'hui un consensus sur la rapidité de l'extinction des dinosaures, groupe qui était en pleine expansion à la fin du Crétacé. De même, les Reptiles marins (Mosasaures, Plésiosaures), ainsi que les Ammonites, Bélemnites et la plupart des nombreuses espèces planctoniques qui ont alors disparu, ont probablement subi une extinction instantanée et la disparition de leurs derniers représentants semble coïncider avec la catastrophe cosmique.

Les Ichtyosaures se sont éteints bien avant la crise K-T, il s'agit donc d'un phénomène naturel d'extinction d'espèce, indépendant des extinctions Crétacé-Tertiaire.
Quant aux Rudistes ou aux Inocérames, ils constituent des groupes qui se sont éteints en quelques millions d'années à la fin du Crétacé.

Le cas de l'extinction des Ptérosaures n'est pas encore clair. Ces Reptiles volants manifestent vraisemblablement vers la fin du Crétacé une diminution de leur diversité. De nombreuses explications ont été proposées, par exemple la concurrence des Oiseaux, qui possédaient un vol battu bien plus efficace. Leur diversification au Crétacé s'est fait en parallèle avec la diminution de celle des Ptérosaures, ces derniers évoluant vers des formes gigantesques comme Quetzacoatlus (environ 15 mètres d'envergure). Dans ce cas, les variations climatiques de la fin du Crétacé ont probablement porté le coup de grâce à ce groupe en déclin.

Ainsi, les hypothèses d'extinction graduelle pour la limite K-T rendent compte de la disparition de quelques groupes comme les Rudistes, les Inocérames, voire les Ptérosaures.

Mais si l'on considère l'ensemble des êtres vivants disparus brutalement il y a 65 millions d'années, seul un événement ponctuel et catastrophique peut en rendre compte.

L'impact du volcanisme du Deccan semble donc un bien mauvais candidat pour expliquer les extinctions en masse de la limite K-T…

Mais plusieurs événements se sont incontestablement superposés lors de la crise K-T : un épisode volcanique exceptionnel (pendant au moins 600 000 ans), un impact cataclysmique, précédés d'une phase de régression marine (sur plusieurs millions d'années).

A l'heure actuelle, il est presque impossible d'être certain de l'importance relative de chacun de ces phénomènes à la contribution des extinctions. L'avenir nous le précisera peut-être.

En tout cas, la superposition d'événements semble un point commun à toutes les grandes crises biologiques et on peut raisonnablement se demander si, sans cette conjonction d'événements néfastes, l'impact météoritique d'il y a 65 millions d'années aurait été suffisant à lui seul pour provoquer toute cette vague d'extinctions.