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L'extinction des dinosaures

Doc Don Davis.

Le tueur invisible (I)

Quel cataclysme mit donc fin au règne des dinosaures il y a environ 65 millions d'années, à la limite du Crétacé/Paléogène mieux connue sous le nom de limite C/Pg (anciennement limite C/T[1]) ?

L'extinction des grands sauriens, mais aussi des fougères géantes et des ammonites à la fin du Crétacé fut provoquée par un phénomène à l'échelle astronomique qui modifia tout notre écosystème pendant plusieurs centaines ou milliers d'années, déversant d'énormes quantités de gaz carbonique dans l'atmosphère et ensevelissant les terres sont des millions de tonnes de cendres.

Il y a quelques années le paléontologue américain Peter D. Ward de l'Université de Washington décrivit les principales leçons que l'on peut tirer du débat sur l'extinction du C/Pg :

- Les modèles et les mécanismes qui ont conduit à cette hécatombe sont immatures et donc inadaptés pour expliquer les modes de comportements de la survie sélective et de l'extinction

- Les impacts peuvent provoquer une extinction

- D'ordinaire il y a plus d'un mécanisme tueur impliqué dans une extinction massive, même dans le cas C/Pg

- Les enregistrements fossiles interprétés littéralement aux époques frontières des extinctions peuvent être trompeurs

- Toutes les extinctions devraient être considérées comme des processus rapides, sauf preuve du contraire

- Une percée scientifique sera le résultat d'efforts pluridisciplinaires, impliquant la paléontologie, la sédimentologie, la géochimie et les sciences de l'atmosphère.

L'extinction des dinosaures (5) représente la 5e extinction massive que connut la Terre.

C'est en suivant ces conseils et en analysant notamment les résultats des recherches pluridisciplinaires que nous allons tenter d'exposer un scénario plausible de ce qui s'est passé il y a 65 millions d'années.

Trois grands axes de recherches ont été explorés depuis les années 1980 :

- Les mécanismes tueurs et les contraintes dans les modèles paléontologiques

- La calibration de la taille de "l'impacteur" et de l'extinction en elle-même

- Comment la sélectivité a préservé certaines espèces et pourquoi d'autres ont péri.

Plusieurs théories ont été invoquées pour expliquer l'extinction des reptiles géants. Celles que nous retiendrons font appel à des évènements extraterrestres, d'ordre astronomique, dont on peut retrouver une périodicité car le même phénomène s'est produit antérieurement à plusieurs reprises, ainsi que nous l'expliquerons dans l'article consacré aux extinctions de masse.

Les autres causes, biologiques (cycle interne, virus, etc) ou géologiques (mouvements du sol, volcanisme) n'ont aucune raison d'être périodiques, du moins de présenter des cycles dont la période dépasse plusieurs millions d'années (certains volcans peuvent en effet avoir des éruptions cycliques tous les 600000 ans comme le Yellowstone). Mais nous reviendrons sur la cause géologique pour expliquer d'autres extinctions massives.

Enquête sur l'extinction des dinosaures

L'explication la plus plausible concernant l'extinction de 76% des espèces à la fin du Crétacé[2] dont celle des dinosaures et des ammonites tient compte des preuves d'un impact météoritique et des traces d'incendies qu’on retrouve à travers le monde. En effet, la théorie que nous allons décrire explique non seulement l'origine de la catastrophe mais également pourquoi des espèces dominantes ont disparu en quelques décennies et surtout pourquoi 24% des espèces ont survécu, y compris certains mammifères et des oiseaux.

Les falaises de Stevns situées à l'est du Danemark contiennent une concentration anormalement élevée d'iridium qui ne peut s'expliquer que par une contamination extraterrestre, c'est-à-dire suite à un impact météoritique. Document Dan Simon.

Luis et son fils Walter Alvarez[3] ainsi que des chercheurs de Caltech découvrirent en 1980 dans les strates à la limite C/Pg un taux anormalement élevé d'iridium, d'osmium et de cristal de quartz au Canada, aux Etats-Unis, en Espagne, en France, au Danemark, dans les Balkans, en Chine et même en Nouvelle-Zélande.

L’iridium est rare sur Terre, sa concentration est en moyenne de 0.05 μg/kg dans la croûte terrestre. Mais c’est un élément ordinaire dans le système solaire, qu’on retrouve principalement dans les astéroïdes et les comètes. Il peut être 10000 fois plus concentré dans les météorites.

De façon générale, toutes les données recueillies jusqu’à présent tendent à démontrer que seule une perturbation extraterrestre a pu conduire à l’extinction massive de l’ère Secondaire. Toutefois la répartition de l'iridium n'est pas régulière sur tout le globe et certains géologues et géochimistes considèrent que les taux d’iridium relevés aux époques des différentes extinctions pourrait très bien avoir une origine terrestre. Selon le paléontologue Stephen K.Donovan[4] de l’Université jamaïcaine des West Indies, "seule l’extinction massive du Crétacé-Tertiaire ne pourrait pas être attribuée à une cause terrestre".

Ceci est le point de vue adopté par une majorité de chercheurs rassembés autour des Alvarez. Mais une minorité d'entre eux considèrent qu'il n'existe pas de lien entre les impacts majeurs et leur principale conséquence, l'extinction massive des espèces. Ou lorsqu'ils partagent l'opinion générale, ils tempèrent leurs positions en précisant par exemple que l'extinction du C/Pg fut limitée aux Tropiques (Keller, 1994; Zinsmeister et Feldman, 1994) ce qui est totalement faux, ce qui fut démontré dès 1985 par différentes mesures géologiques effectuées aux quatre coins de la planète comme nous allons le découvrir.

En fait, plus de 30 ans après l'hypothèse formulée par Alvarez, aujourd'hui les scientifiques confirment qu'il avait raison mais l'ampleur de la catastrophe fut bien supérieure à ce qu'il imagnait. Voyons en détails la théorie de l'impact météoritique avant de décrire succintement les théories alternatives qui n'ont plus beaucoup de supporters.

Document T.Lombry.

I. L'impact météoritique

J.Hess et M.Bender, océanologues à l'Université de Rhodes découvrirent en 1986 que l'eau de mer à l'époque de l’extinction des dinosaures avait une grande teneur en strontium.

En 1991, une équipe américaine de l'Université Rhodes Island affirmait même avoir localisé le cratère d'impact à l'origine du bouleversement de notre biosphère. Ayant découvert de grande quantités de sphérules près de Haïti, ils considéraient que le lieu d'impact le plus vraisemblable était le cratère de Chicxulub dont l'épicentre est situé à ~25 km au nord de la ville éponyme (en fait Chicxuklub Puerto) et à environ 10 km des côtes, juste au nord de la péninsule du Yucatan, au Mexique. C'est le plus grand cratère de la planète[5] avec une profondeur de 32 km et un diamètre moyen de 192 km (et supérieur à 260 km en comptant les remparts effondrés). Il fut découvert en 1978 par les géophysiciens Glen Penfield et Antonio Camargo lors de prospections pour la société pétrolière mexicaine Pernex. Comme on le voit ci-dessous à droite, un arc de cénotes délimite le rempart externe du cratère.

Apparemment - car il faut le démontrer - le profil du cratère présente deux pics centraux tandis que les remparts partiellement effondrés sont entourés d’éjecta sur plusieurs dizaines de kilomètres en direction de Belize. Selon une étude publiée en 2013 par Paul R. Renne du Centre de Géochronologie de Berkeley (BGC) et son équipe, le cratère de Chicxulub s'est formé il y a exactement 66 ±0.43 millions d’années.

A voir : Meteor Impact Site, NGS

Chicxulub, il y a 66 millions d'années

En 1990, Alan Hildebrand et son équipe découvrirent une structure annulaire de 180 km de diamètre sous les couches sédimentaires situées au nord de la péninsule du Yucatan au Mexique (zone jaune). Cette formation est âgée d'environ 66 millions d'années et coïncide avec l'extinction massive à la limite C/Pg. A gauche, l'instant de l'impact. Au centre, schéma des lignes de fractures, du rempart externe et de la limite des éjecta qui entourent le bassin d'impact. A droite, la cartographie des cénotes révèle la limite du rempart externe du cratère. Documents David A.Hardy, T.Lombry et LPI adapté par l'auteur.

Le cratère d’impact est parfaitement conservé car il s'est formé à plus de 900 m de profondeur puis fut recouvert de sédiments. Aujourd'hui, le cratère est encore recouvert sous 500 m de sédiments mais certains éjecta plus éloignés du centre remontent par endroit jusqu'à 3-4 m seulement de la surface. Sur le site, on retrouve entre 650-800 m de profondeur des sphérules de verre et de la fine cendre contenant des quartz choqués, c'est-à-dire ayant subit une pression d'au moins 20 GPa (200 kbars).

A l'époque, c'est-à-dire au début des années 1990, l'hypothèse météoritique n'a pas retenu l’attention d’une équipe française du Laboratoire des faibles radioactivités car ils considéraient après contre-analyse que ces sphérules avaient une origine volcanique locale et rien de plus. Ils n'ont pas approfondi la question et sont passés à côté d'une découverte majeure. Le débat restait toutefois ouvert, en particulier dans l'esprit du géophysicien James F. Kasting de l'Université de Pennsylvanie (Penn State) déjà connu pour ses modèles climatiques, du géologue et biologiste Michael R. Rampino de l'Université de New York et de l'astronome Richard B.Stothers (1939-2011) de l’Institut des Etudes Spatiales de la NASA[6]. Et leur persévérance les récompensa.

En 1993, les géochronologistes Peter Zeitler aujourd'hui à l'Université Lehigh et Michael Kunk de l’USGS apportèrent à leur tour la preuve[7] que le cratère d’impact de Manson en Iowa - 35 km de diamètre - avait exactement le même âge que celui de Chicxulub. Cette découverte suggéra que la Terre fut frappée simultanément ou presque par au moins deux grands objets, phénomène qui se produit rarement avec les astéroïdes.

A gauche, cartographie du champ de pesanteur (gravité) dans la région du cratère de Chicxulub révélant des détails topologiques. Au centre, cartographie 3D des champ de gravité et magnétique de la zone d'impact. A droite, reconstruction 3D du cratère de Chicxulub. Documents U.Az et V.L.Sharpton/LPI.

Le cratère de Chicxulub fit donc l’objet de deux nouvelles expéditions scientifiques en 1995 et 1996. Des géologues de la NASA et de la Planetary Society explorèrent la région de Belize en quête de signatures extraterrestres, de roches éjectées du cratère suite à la force de l’impact. Ces expéditions furent un succès et eurent une répercussion mondiale, tant dans la presse spécialisée que grand public.

Les chercheurs découvrirent tout d’abord dans les pierres de dolomites (carbonate de calcium ou de magnésium naturel) des fossiles d’une nouvelle espèce de crabe Carcineretes planetarius qui s’est éteinte à la fin du Crétacé, ainsi que des fossiles de néréides. Ces créatures permirent aux scientifiques d’avoir une première idée de l’environnement de cette région à l’époque de l’impact et de confirmer que la surface fut exposée à des éjecta de Chicxulub à la fin du Crétacé.

De nouvelles tectites ont également été découvertes, dont la composition correspondait à celles retrouvées dans les roches du Yucatan. Les découvertes se sont ainsi succédées. D’autres dolomites, de 8 m de diamètre, avaient été striées par une force titanesque. Certaines sphérules de calcites semblaient à l’évidence avoir subi un traitement inhabituel pour leur donner cette forme atypique. Certaines avaient été vaporisées avant de se cristalliser.

Traces d'éjecta (la ligne brune) à la limite C/Pg découvertes à Cristo Rey et Barton Creek, au Belize. Documents The Planetary Society.

En 2002, les géologues Adriana Ocampo et Kevin Pope de la NASA ont découvert ce qu'ils ont appelé "a smoking gun" (la fumée du fusil) en démontrant qu’à plus de 500 km de l’épicentre, la force de l’impact fut vraiment diabolique. Des roches éclatées ont été découvertes, encroûtées et polies dans les éjecta. D’autres roches présentaient des signes de métamorphisme de choc : des débris avaient été vitrifiés sous la chaleur de l’onde de choc qui suivit l’explosion et d'autres roches présentaient des trous résultants d’impacts supersoniques.

A Cristo Rey et Barton Creek au Belize, des zones exposées aux intempéries ont permis aux géologues de découvrir le tracé de la limite C/Pg. Ainsi qu'on le distingue ci-dessus, au-dessus d’éboulis et de sédiments jaunâtres, ils découvrirent un fin lit brun-bordeau de 5 cm d’épaisseur constitué de petits rochers arrondis et de sphérules au-dessus duquel reposait la couche d’éjecta sur une dizaine de centimètres, elle-même recouverte de dolomites blanches. Cette limite C/Pg courait sur plusieurs dizaines de mètres de longueur au milieu des montagnes de Belize. Cette trace biostratigraphique présente un indice clair en faveur d'un impact météoritique majeur. Des traces similaires ont été découvertes en Alberta, au Canada.

Plus récemment, comme on le voit ci-dessous, des traces de la limite C/Pg furent découvertes dans le Parc du Lac Trinidad dans le bassin Raton au Colorado et à Geulhemmergroeve aux Pays-Bas, attestant des retombées mondiales de cette catastrophe.

Interpréter ces différents indices découverts aux quatre coins de la planète comme étant en rapport avec l'extinction des dinosaures est par contre une hypothèse plus incertaine qui n'a pas encore été démontrée mais ils convergent dans ce sens, y compris la prolifération des formes de vie après cette catastrophe, évènement sur lequel nous reviendrons.

A gauche, la trace de la limite C/Pg apparaît clairement dans la partie sud du Parc du Lac Trinidad situé dans le Bassin de Raton au Colorado aux Etats-Unis. La roche passe brutalement d'une couleur sombre à claire au-dessus de la limite C/Pg. A droite, trace de la limite C/Pg découverte dans les "tunnels de Geulhemmergroeve" situés près de Geulhem aux Pays-Bas. L'épaisse couche d'argile grise se trouve juste au-dessus de la couche du Paléogène (en jaune foncé) datant du Cénozoïque (anciennement Tertiaire datant de moins de 66 millions d'années), elle-même recouvrant la couche jaune claire et plus ancienne du Crétacé.

Enfin, en 2016 dans le cadre de l'Expédition 364 Chicxulub, une équipe internationale comprenant plus de 60 chercheurs explora pendant trois mois la zone onshore et offshore du cratère d'impact. Le but était de compléter les données recueillies précédemment, notamment au cours de l'expédition de 2004 et de répondre aux questions en suspens.

Parmi les questions que se posaient les chercheurs, il y avait celles concernant la formation du cratère : Pourquoi l'anneau est-il crétélé ? Quelle est la nature des roches qui formèrent les pics et les remparts ? Proviennent-elles de la croûte supérieure, moyenne ou inférieure ? Quelles sont la cinématique et la dynamique de la formation des pics ? Quel mécanisme d'affaiblissement des roches contrôle la formation des grands cratères ?, etc. Bref, du vrai travail de spécialistes. Nous verrons page suivante que d'autres équipes s'intéressèrent aux conditions de réapparition de la vie après l'impact : quels organismes et combien de temps après l'impact sont-ils apparus, etc ?

À l'image de ce qu'on observe sur la Lune (cf. le bassin de Schrödinger de 320 km de diamètre), on constate que les grands cratères d'impacts fournissent un mécanisme pour resurfacer les planètes et les satellites rocheux en mélangeant des roches proches de la surface avec des matériaux plus profonds. Les pics centraux sont formés à partir du soulèvement dynamique des roches pendant la formation du cratère. Lorsque le cratère est très vaste (> 100 km de diamètre), l'énergie qu'on retrouve normalement dans le pic central est transmise aux anneaux et aux remparts qui affichent un profil crételés. Vu les dimensions du cratère de Chicxulub, en théorie le même mécanisme remodela la région mais il fallait le prouver.

Avant l'expédition de 2016, sans échantillons le débat était toujours ouvert concernant la mécanique de la formation des pics et à quelle profondeur ils se sont formés. L'expédition 364 échantillonna l'anneau crételé, ce qui permit aux chercheurs de découvrir qu'il était formé de roches du socle felsique (des roches silicatées dites mafiques) soulevées, fracturées et choquées. Les roches de l'anneau crételé sont traversées par des dikes (roches magmatiques qui sont remontées par des cheminées et des fissures) et des zones de cisaillement et ont une densité et une vitesse sismique exceptionnellement faibles. L'impact de la météorite ayant été très important, il généra des flux verticaux et augmenta localement la porosité de la croûte terrestre.

A gauche, profil du cratère de Chixculub à ~10 km au large de Chicxulub Puerto, derrière le pic central (en direction du nord). A droite, reconstruction artistique du cratère de Chicxulub quelques années après l'impact il y a 66 millions d'années. Documents David A.Kring/NASA/U.Az (2005) adapté par l'auteur et Detlev Van Ravenswaay/Science.

Sur le plan géologique, l'analyse des carottes prélevées dans le cratère et sur l'anneau crételé montre que certaines roches proviennent de 30 km de profondeur tandis qu'une couche de roche fondue mesurant ~3 km d'épaisseur combla le cratère puis fut recouverte de brèches polymictes et de Bunte typiques des brèches d'impact comme on le voit sur le schéma présenté ci-dessus à gauche. Les 800 mètres supérieurs de sédiments sont essentiellement constitués de shales, des roches sédimentaires métamorphiques ayant été portées à 250-300°C qui ont rempli le cratère après l'impact. Juste en dessous se trouve une couche de suévite redéposée de 12 mètres d'épaisseur qui pourrait avoir glissé dans le cratère après l'éjection initiale et la retombée des éjecta. Ensuite, il y a 86 mètres de suévite redéposée qui furent éjectées balistiquement du cratère pendant sa formation. Les 600 mètres les plus profonds sont constitués de grandes fragments éjectés composés de roches calcaire, de dolomite et d'évaporites dont 27% d'anhydrites.

Pour expliquer ces phénomènes, dans un article publié en 2016 dans la revue "Science" dans le cadre des résultats de l'Expédition 364 Chicxulub, le géophysicien et géologue Sean P. Gulick de l'Université du Texas et ses collègues ont suggéré que sous l'impact, la croûte terrestre se liquéfia temporairement, formant ce qu'on appelle un cratère transitoire ou transient tandis que par réaction, à l'image d'une goutte tombant dans un liquide, le centre rebondit vers le haut puis retomba vers l'extérieur en formant les pics et l'anneau crételé qu'on observe aujourd'hui. Seul problème, cette théorie est basée sur des modèles et rien ne prouve que cela s'est réellement passé ainsi, ce que Gulick confirme volontiers : "Nous n'avons jamais récupéré de roche provenant d'un anneau crételé d'impact pour vérifier si c'est correct"... d'où les controverses que cette théorie suscite encore (mais minoritaires). Vous trouverez tous les détails de cette théorie dans l'article précité.

Voyons à présent quel type d'objet est à l'origine de cet impact, quelles furent les conséquences de cette collision et comment la vie réapparut après ce cataclysme. C'est l'objet du prochain chapitre.

Prochain chapitre

La fragmentation de l'astéroïde Baptistina

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[1] Le public connaît mieux cet évènement sous son ancien nom de limite Crétacé/Tertiaire ou limite C/T ou encore K-T boundary.

[2] D.Jablonski, Science, 231, 1986, p129 - R.Lewin, Science, 231, 1986, p219 - W.Wolbach et al. Nature, 334, 1988, pp665-669 - J.Melosh et al., Nature 343, 1990, pp251-254.

[3] L.W.Alvarez, W.Alvarez, F.Asaro, and H.V.Michel, "Extraterrestrial cause for the cretaceous-tertiary extinction" (et en PDF), Science, 208, 4448, 1980, pp.1095-1108 - W.Alvarez et F.Asaro, “An Extraterrestrial Impact”, Scientific American, 264, 1990, p42.

[4] S.Donovan, Nature, 1987, p331 - S.Donovan, "Mass Extinctions. Processes and Evidence", Columbia University Press, 1989.

[5] R.Kerr, Science, 257, 1992, p878

[6] M.Rampino et R.Sothers, Science, 226, 1984, p1427 - J.Kasting et al., Nature, 342, 1989, p139 - V.Overbeck et G.Fogleman, Nature, 339, p434 - J.Hogan, “The Caribean killer”, Scientific American, 265, 1991, p12 - P.Zeitler in s/dir C.Koeberl et R.R. Anderson, "The Manson Impact Structure, Iowa: Anatomy of an Impact Crater", Geological Society of America, 1996, pp.383-396.

[7] R.Kerr, Science, 259, 1993, p1543.


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