Le volcanisme, un acteur majeur de l'histoire de la Terre

Nous vivons actuellement, et ce depuis quelques millions d'années, une période volcanologiquement “ordinaire”, avec une soixantaine d'éruptions modérées chaque année (sans compter les éruptions au niveau des dorsales) et parfois quelques-unes plus fortes, qui n'occasionnent que des perturbations locales et/ou temporaires. Citons comme exemples quatre de ces éruptions historiques d'intérêt local même si ce furent de véritables « coups durs » pour les habitants concernés. Dans un ordre chronologique, nous avons : (1) Pompéi et Herculanum qui furent détruits en 79 par des pluies de cendres et des coulées pyroclastiques, (2) le temple bouddhiste de Borobudur (Indonésie) qui fut enseveli sous les cendres du Merapi en 1006, (3) la ville de Catane (Sicile) qui fut coupée en deux en 1669 par une coulée de lave de l'Etna , (4) 20 % de l'ile de Lanzarote (Canaries) et quinze de ses villages et hameaux qui furent recouverts de coulées de lave entre 1730 et 1736.

Source - © 2017 Pompeii - Parco Archeologico et sur sciencepost.fr Figure 8. Une image inhabituelle des conséquences de l'éruption du Vésuve en l'an 79 de notre ère

Source - © 2018 Shindoupen - CC BY-SA 4.0 Figure 9. Le temple de Borobudur (Indonésie) fut enseveli en 1006 par des cendres du Merapi que l'on voit à l'arrière-plan

Source - © ~1669 Fresque de Giacinto Platania (1612-1691) Figure 10. La ville ce Catane (Sicile) partiellement recouverte par une coulée de l'Etna en 1669

Source - © 2017 Becerril et al. - CC BY 3.0, modifié Figure 11. Carte géologique simplifiée de l'ile de Lanzarote (Canaries) La tache rouge représente les 170 km2 (20 % de la surface de l'ile) recouverts par les coulées de laves et les cendres de l'éruption de 1730 à 1736. On peut trouver des photos de Lanzarote dans Les cônes de scories à forte explosivité et autres tuff-rings, Parc National de Timanfaya, Lanzarote, îles Canaries (Espagne) ou encore Les vignobles de Lanzarote (Canaries) et de Pico (Açores) : deux exemples de vignes sur des volcans actifs.

Certaines de ces éruptions historiques furent suffisamment importantes pour perturber le climat mondial pendant quelques années. Citons-en deux.

De juin 1783 à février 1784, le Lakagigar (Islande) a émis 14 km³ de lave très fluide, des nuages de cendres, des dizaines de millions de tonnes de soufre et de fluor… Plus de la moitié du bétail islandais périt, et le quart de la population islandaise mourut de faim. Les deux hivers qui suivirent furent très rigoureux dans tout l'hémisphère Nord, et les étés “pourris”, ce qui entraina de mauvaises récoltes et une augmentation de la mortalité de la population fragile. D'aucuns disent que la Révolution française est l'une des conséquences de cette mini-crise climatique.

En avril 1815, le volcan Tambora (Indonésie) explosa et projeta dans l'atmosphère 40 km³ de cendres et 60 millions de tonnes d'oxyde de soufre. L'éruption tua directement environ 100 000 personnes, et les perturbations climatiques qui suivirent en 1815 et 1816 (années dites « sans été ») occasionnèrent des famines sur toute la Terre (au moins 200 000 victimes).

Source - © 2019 Jolis circuits Figure 12. Vue sur un fragment de la fissure du Lakagigar (Islande) Cette fissure mesurait 27 km de long et est maintenant “recouverte” par plus de cent cônes volcaniques. Quatorze km3 de lave très fluide, des nuages de cendres, des dizaines de millions de tonnes de soufre et de fluor… sortirent de cette fissure entre juin 1783 et février 1784. Plus de la moitié du bétail islandais périt empoisonné par le fluor, et le quart de la population islandaise mourut de faim. Les deux hivers qui suivirent furent très rigoureux dans tout l'hémisphère Nord et entrainèrent une augmentation de la mortalité de la population fragile.

Source - © 2020 Google Earth, modifié Figure 13. Vue aérienne de l'ile de Sumbawa, Indonésie On voit très bien le volcan Tambora et sa caldeira de 7 km de diamètre, résultat de l'éruption de 1815. Cette éruption, outre la genèse de la caldeira, projeta dans l'atmosphère 40 km3 de cendres et 60 millions de tonnes d'oxyde de soufre. L'éruption tua directement environ 100 000 personnes, et les perturbations climatiques qui suivirent en 1815 et 1816 (années dites « sans été ») occasionnèrent des famines sur toute la Terre (au moins 200 000 victimes).

Il y a plusieurs fois par million d'année des éruptions explosives beaucoup plus importantes, projetant dans l'atmosphère plus de 1000 km³ de cendres. En reprenant une expression de journalistes, on parle de « super-volcans ». Parce que situé aux USA, le plus médiatisé des super-volcans est Yellowstone dont les dernières « super-éruptions » datent de −2,1 Ma, −1,3 Ma et −0,64 Ma.

La plus importante des super-éruptions ”récentes” est celle du Toba (ile de Sumatra, Indonésie). Il y a “seulement” 73 000 ans, 2800 km³ de cendre (70 fois le Tambora) furent projetés dans l'atmosphère. L'étude des pollens fossiles sur toute la planète montre que la température moyenne baissa de 3 à 6°C pendant plusieurs années. Indépendamment de ces études volcaniques et paléontologiques, les généticiens étudiant le génome des populations humaines actuelles trouvent que la population d'Homo sapiens passa d'environ 500 000 à seulement 15 000 individus il y a quelques dizaines de milliers d'années. Or, ce goulot d'étranglement génétique est daté de la même époque (aux incertitudes près) que l'éruption du Toba. C'est encore très discuté, mais certains vont même jusqu'à dire que l'éruption du Toba a failli éteindre l'humanité, du moins Homo sapiens (on ne peut pas faire la même étude sur les Néanderthaliens ou sur les Dénisoviens qui étaient présents à cette époque). Affaire à suivre !

Source - © 2020 Google Earth, modifié Figure 14. Vue aérienne de la caldeira du Toba (Sumatra, Indonésie), conséquence de l'éruption de −73 000 ans

Source - © 2020 D'après G.M. Woillard, 1977 et G.M. Woillard G.M. et al., 1982, sur andamans.org Figure 15. Variation relative du nombre d'espèces de pollen dans une carotte de la tourbière de la Grande Pile (Haute-Saône) en fonction de la profondeur La biodiversité végétale diminue fortement de façon contemporaine à l'éruption du Toba. Cette baisse de la biodiversité n'est pas contemporaine du début de la glaciation du Würm, mais a lieu 40 000 ans après le début de la mise en glace.

Source - © 2004 D'après EPICA community members, modifié Figure 16. Position chronologique de l'éruption du Toba par rapport à quatre indicateurs climatiques du Quaternaire récent Cette éruption a eu lieu pendant le refroidissement du Würm. Aux incertitudes près, elle semble contemporaine d'une accélération de ce refroidissement (2e courbe), de l'accroissement du volume des glaces (3e courbe) et d'une recrudescence de la quantité de poussières dans les glaces antarctiques (4e courbe). Source : EPICA community members, 2004. Eight glacial cycles from an Antarctic ice core, Nature, 429, 623–628.

Tout ce qu'on a décrit ci-dessus, super-volcans compris, n'a que des effets locaux ou globaux ne durant que quelques années. Depuis les 300 derniers millions d'années (ceux qu'on connait le mieux), les périodes volcanologiquement calmes comme le Quaternaire ont été entrecoupées, à douze reprises, par des épisodes volcaniques majeurs et (géologiquement) brefs : des volumes de basaltes supérieurs à 300 000 km³ sont émis pendant moins de 1 Ma et recouvrent d'énormes surfaces (plus de 300 000 km²). On parle de « province magmatique géante » (PMG ou LIP, en anglais pour Large Igneous Provinces). Ces éruptions basaltiques ont été soit continentales, soit sous-marines. Quand elles sont aériennes, ces centaines de milliers de km² d'empilements de coulées de lave sont appelés trapps. Les plus jeunes trapps datent du début du Miocène supérieur (−15 Ma, province de la Columbia River, Nord-Ouest des États-Unis d'Amérique). La plus célèbre province magmatique géante, la province du Deccan (Inde), est contemporaine de l'extinction des dinosaures non aviens ( −66 Ma). Les deux plus importantes sont sous-marines : la province d'Otong Java forme un plateau sous-marin à 2000 km au Nord-Est de l'Australie, 30 à 50 millions de km³ de lave y ont été émis sous le Pacifique il y a 120 Ma, et le plateau des Kerguelen où 10 à 20 millions de km³ de lave y ont été émis sous l'océan glacial antarctique il y a 110 Ma. Ces éruptions géantes semblent se produire quand un nouveau point chaud débute et que sa tête arrive sous la lithosphère.

Source - © 2020 Pierre Thomas

Figure 22. Les douze provinces magmatiques géantes des 300 derniers millions d'années

La largeur du trait indique (qualitativement) la durée des éruptions. L'ordre de grandeur du volume de lave émise est indiqué au-dessus du trait. Depuis 300 Ma, ces éruptions géantes ont lieu en moyenne tous les 25 Ma, bien qu'il n'y ait aucune régularité dans la venue de ces phases éruptives. Les trois provinces magmatiques géantes dessinées en rouge sont celles qui sont contemporaines de l'une trois dernières des cinq grandes extinctions biologiques du Phanérozoïque : les crises Permien-Trias, Trias-Jurassique et Crétacé-Tertiaire (ou Crétacé-Paléogène).

Source - © <2013 Ron Miller sur The Sun ou Listeverse Figure 23. Représentation artistique de ce que pourrait être une province magmatique géante aérienne en pleine phase éruptive

Source - © 2020 Google Earth, modifié Figure 24. Vue aérienne de l'Océan Pacifique et de la partie adjacente de l'océan glacial antarctique montrant le plateau des Kerguelen (flèche rouge), la deuxième plus importante des provinces magmatiques géantes “récentes” En bas à gauche, une vue de l'Europe de l'Ouest (à la même échelle) pour se rendre compte de la taille de cette PMG.

Pendant ces mêmes 300 derniers millions d'années, il y a eu trois grandes crises (extinctions) de la biodiversité, la crise Crétacé-Tertiaire (ou Crétacé-Paléogène, −66 Ma), la crise Trias-Jurassique (−200 Ma), et la crise Permien-Trias (−251 Ma). Or, ces trois extinctions sont contemporaines de trois des douze provinces magmatiques géantes. On comprend en théorie pourquoi des éruptions volcaniques géantes peuvent entrainer des crises biologiques : perturbations climatiques, dégagements de gaz toxiques, acidification de l'atmosphère et de l'océan… Mais qu'ont eu de plus les trois phases éruptives majeures associées à des extinctions par rapport aux neuf autres qui n'ont pas eu de conséquences biologiques majeures ?

Les éruptions du Deccan, il y a 66 Ma, avaient déjà commencé depuis 500 000 ans et avaient sans doute déjà bien perturbé le climat mondial quand un astéroïde de 10 km de diamètre s'écrasa au Mexique (impact de Chicxulub, au Yucatan), ce qui engendra tsunami, nuages de poussières… se rajoutant aux perturbations d'origine volcanique (cf. Vestiges de l'apocalypse : le site de Tanis, Dakota du Nord ainsi que La crise Crétacé-Paléogène et l'hypothèse météoritique, 34 ans après). On discute depuis des années pour essayer de chiffrer les parts relatives des deux causes potentielles dans l'extinction des dinosaures non aviens. Les discussions ne sont pas près de s'arrêter, car des études récentes (2015 et 2019) ont montré que l'impact du Mexique avait entrainé une forte recrudescence du volcanisme du Deccan, et ont proposé des mécanismes géophysiques expliquant cette recrudescence. Les amateurs de réponses simples (pour ne pas dire simplistes), qui veulent que ce soit noir ou blanc (mais jamais gris) vont être déçus.

Source - © 2020 Re-dessiné d'après M.A. Richards et al., 2015, et C.J. Sprain et al., 2019

Figure 25. Évolution du volume total des laves émises par les éruptions du Deccan

Il s'agit du volume total des laves émises, total 3 à 5 fois supérieur à ce qui a été épargné par l'érosion et qui est aujourd'hui à l'affleurement. La chronologie des différentes unités (de l'unité Jawhar à la base, à l'unité Desur au sommet) est suffisamment précise pour qu'on puisse exactement situer l'impact de Chicxulub. D'après des études récentes, le volcanisme du Deccan à brusquement crû au moment de l'impact de Chicxulub.

Sources :

— M.A. Richards et al., 2015. Triggering of the largest Deccan eruptions by the Chicxulub impact, Geological Society of America Bulletin, 127, 11-12, 1507-1520 [pdf]

— C.J. Sprain et al., 2019. The eruptive tempo of Deccan volcanism in relation to the Cretaceous-Paleogene boundary , Science, 363, 6429, 866-870 [pdf]

La province volcanique datant de 200 Ma, la Province magmatique centre-Atlantique (CAMP, en anglais), si ce n'est pas la plus volumineuse, est la plus étendue en surface (de la Bretagne à la Colombie, et de la Louisiane au Nigeria). Et elle était à cheval sur l'équateur de l'époque : la pire des situations pour perturber le climat de toute la Terre et non pas d'un seul hémisphère.

Source - © 2020 Inspiré de T.J. Blackburn et al., 2013

Figure 26. Reconstitution de la CAMP à la limite Trias-Jurassique

En rouge foncé les basaltes à l'affleurement, en rose les basaltes érodés présents uniquement sous forme de dykes, de sills… éparses. B, P et G localisent la Bretagne, les Pyrénées et la Guyane, les seuls affleurements français.

Source : T.J. Blackburn et al., 2013. Zircon U-Pb Geochronology Links the End-Triassic Extinction with the Central Atlantic Magmatic Province, Science, 340, 6135, 941-945

L'extinction datant de 250 Ma (la limite Permien-Trias), la plus sévère de toutes, est vraisemblablement due à des éruptions ayant eu lieu en Sibérie, sur et dans un bassin sédimentaire qui, par hasard, contenaient beaucoup de charbon et d'hydrocarbures, du gypse, des calcaires. Le chauffage de ces roches a engendré des dégagements de méthane, de gaz sulfurés, de dioxyde de carbone… Tous ces gaz se seraient rajoutés aux gaz et poussières volcaniques et auraient composé un cocktail mortel à l'origine de la plus grande extinction des 600 derniers millions d'années.

Source - © 2011 S. Fomine/Global Look/Corbis dans P.B. Wignall

Figure 27. Le plateau de Putorana, en Sibérie du Nord, un micro-fragment des trapps de Sibérie

Chaque “couche” mise en valeur par la neige au sommet du plateau correspond à une coulée de lave.

À côté de ces perturbations brèves mais violentes et dont les conséquences biologiques sont irréversibles (grandes extinctions), le volcanisme a des actions beaucoup plus discrètes, très largement méconnues, mais permanentes et ô combien plus importantes car leurs faibles effets se cumulent sur des millions et des millions d'années. Nous allons en aborder deux.

Mais avant, pour se rendre compte des effets du volcanisme, on peut faire une expérience de pensée. Nous allons imaginer que la convection mantellique est toujours présente, que la tectonique des plaques “fonctionne”, mais que les températures et pressions de fusion des roches (péridotites, roches crustales) sont différentes de ce qu'elles sont dans la réalité. La décompression sous les dorsales et les points chauds, l'hydratation au niveau des subductions, les mouvements complexes dans les zones de collision… se font toujours, mais sans entrainer ni la fusion du manteau, ni celle de la croute. On aurait une Terre dynamique, avec tectonique des plaques, mais sans volcanisme. Que serait une Terre sans volcanisme ? Pas de volcanologues, pas de belles collections de roches ou de minéraux…, mais surtout une Terre bien différente.

La Terre est majoritairement recouverte d'eau liquide, les mers et les océans. Dans cette eau liquide précipite du calcaire (CaCO₃). Cette précipitation, presque exclusivement d'origine biologique de nos jours, piège et immobilise du CO₂ sous forme solide, dont une bonne partie se dépose au fond des océans sous forme de sédiments carbonatés.

À cause de la subduction, ce CO₂, bloqué sous forme de calcaire, quitte la surface et rejoint les profondeurs du manteau. Comme on l'a vu, la fusion partielle concentre les composés volatils (dont le CO₂ des carbonates) dans les magmas. Et les magmas libèrent leur CO₂ en atteignant la surface. Si la tectonique des plaques n'était pas accompagnée par du volcanisme qui extrait le CO₂ du manteau et le “rend” à l'atmosphère, celle-ci n'en contiendrait plus (elle n'en contient actuellement pas beaucoup, seulement 0,04 %).

Le volcanisme, “compensant la précipitation des carbonates”, est responsable de la relative constance du CO₂ dans l'atmosphère depuis des centaines de millions d'années. Et sans CO₂, il n'y aurait pas de vie abondante (pas de photosynthèse), la Terre aurait une température moyenne beaucoup plus basse (moins d'effet de serre)… Le volcanisme a rendu la Terre “vivable”. Et des variations de long terme dans l'intensité du volcanisme font varier ces dégagements de CO₂. On a longtemps pensé que le volcanisme était à l'origine de l'atmosphère. Ce n'est pas le cas, il n'est “que“ à l'origine de la constance ou des variations de sa composition ! Mais ce n'est déjà pas mal !

Source - © 2017 Pierre Thomas

Figure 28. Dégagement de CO₂ dans le lit de l'Allier (Les Martres de Veyre, Puy de Dôme), rivière qui traverse la région volcanique du Massif Central

À retrouver dans Les sources thermominérales d'Auvergne : aspects géologiques.

Toujours à cause de l'eau liquide, il pleut sur les continents. Cette pluie altère granites et autres roches continentales, ce qui libère des sels minéraux dans les eaux du sol puis des rivières, sels minéraux qui finissent par arriver à la mer. Environ 200 millions de tonnes d'ion sodium et 140 millions de tonnes d'ions magnésium arrivent ainsi annuellement à l'océan. Or l'eau qui s'échappe de la mer par évaporation est de l'eau “distillée”, sans sodium ni magnésium. Les ions sodium et magnésium devraient s'accumuler dans l'océan. Un rapide calcul fait pour la première fois par John Joly en 1899 montre qu'environ 100 Ma suffisent pour apporter à la mer tout le sodium qui s'y trouve actuellement. Et, en environ 1 milliard d'années, la mer serait saturée en sel (environ 350 g/L), ce qu'elle n'est pas. Puisque l'eau de mer n'est pas saturée en sel, c'est qu'il y a un ou des mécanismes qui extraient le sodium (et les autres cations) de la mer. Chaque petit enfant qui découvre la mer pour la première fois demande à ses parents : « Dis, pourquoi la mer est salée ? » Cette question est naturelle de la part d'un petit enfant, mais montre qu'il ne connait rien au fonctionnement de la planète Terre, ce qui est normal à cet âge. De la part d'un adulte connaissant les SVT, la bonne question devrait être : « Pourquoi la mer est-elle si peu salée ? »

Source - © 2006 Pierre Thomas

Figure 29. Chott salé de la région de Siwa (Égypte), qui ressemble à ce que seraient les bords de mer s'il n'existait pas une (des) pompe(s) à sodium extrayant le sel de la mer

Il n'y a pas de problème pour le calcium et le potassium apportés à la mer par les fleuves avec le sodium et le magnésium puisqu'ils sont fixés dans les calcaires (pour le calcium) et adsorbés par les argiles (pour le potassium). Mais puisque l'eau de mer n'est saturée ni en sodium ni en magnésium, c'est qu'un (des) mécanisme(s) piège(ent) les 20.10¹⁰ kg/a d'ions sodium et les 14.10¹⁰ kg/a d'ions magnésium qui arrivent à la mer par les fleuves. Cela pourrait être la sédimentation de la halite (NaCl), et la dolomitisation des calcaires (2 CaCO₃ + Mg²⁺ ⇌ CaMg(CO₃)₂ + Ca²⁺). Mais ces deux processus sont quantitativement insuffisants. L'un des mécanismes proposés est l'altération des basaltes sous-marins par les eaux chaudes qui les traversent, que ce soit au niveau des dorsales ou de toutes les éruptions volcaniques sous-marines hors dorsales (arcs insulaires, basins marginaux…).

Il y a plusieurs réactions possibles qui piègent sodium et magnésium. Citons-en deux.

Or, le basalte produit par le volcanisme sous-marin est un peu plus riche en diopside et beaucoup plus riche en plagioclase que les péridotites et les serpentines. Cette grande quantité de diopside et de plagioclase dans les basaltes entraine une fixation très efficace des ions sodium et magnésium. Ce piégeage serait beaucoup moins important si le fonctionnement des dorsales n'était pas accompagné de volcanisme.

Qualitativement, ce mécanisme "marche" bien. Quantitativement, beaucoup reste à faire, car la composition de l'eau ressortant par les fumeurs noirs (et permettant de quantifier les cations piégés) n'est pas homogène et contient encore du sodium, parce qu'il y a des échanges basaltes/eau de mer en dehors des dorsales...

Du sodium et du magnésium sont donc fixés dans le basalte de la lithosphère océanique, qui finira par être subduite au bout de quelques dizaines de millions d'années et être intégrée au manteau. Du sodium et du magnésium sont ainsi définitivement extraits de l'eau de mer. C'est là le principal mécanisme qui compense l'apport de cations par les fleuves. Sans le volcanisme sous-marin, machine à fabriquer des feldspaths, l'eau de mer serait identique à celle de la Mer Morte, et la vie serait bien différente (cf. les milieux salés dans Les extrémophiles dans leurs environnements géologiques - Un nouveau regard sur la biodiversité et sur la vie terrestre et extraterrestre).

Si, comme dans notre expérience de pensée où nous avons modifié température et pression de fusion des roches, le fonctionnement de la Terre interne ne s'accompagnait pas de volcanisme, la Terre serait plus froide, la photosynthèse serait impossible ou du moins beaucoup plus difficile, la mer saturée en sels… Une Terre bien différente de ce qu'elle est en fait !

Source - © 2016 NOAA dans Mer et Marine

Figure 30. Fumeurs noirs caractéristiques de l'hydrothermalisme sur basalte

Cet hydrothermalisme sur basalte piège beaucoup plus efficacement le sodium (et un peu plus efficacement le magnésium) que l'hydrothermalisme sur péridotite qui génère des “fumeurs blancs” (cf fig. 36).

Parfois, le volcanisme est la cause directe ou indirecte de véritables révolutions car les lentes variations des facteurs environnementaux qu'il provoque peuvent dépasser des seuils et s'emballer. La température moyenne superficielle de la Terre est réglée, entre autres, par deux facteurs : la teneur de l'atmosphère en gaz à effet de serre (GES), et l'albédo de sa surface (rapport entre la lumière réfléchie par une surface et la lumière incidente). Plus la teneur en GES est faible, ou plus l'albédo est élevé (surface claire), plus la température superficielle de la Terre est basse. Des banquises étendues et des continents recouverts de neige ou de glace, renvoyant l'énergie du Soleil vers l'espace, ont tendance à faire baisser la température moyenne de la surface. Si pour des raisons géologiques diverses les glaces polaires dépassent 30° de latitude Nord et Sud, l'effet albédo prend le dessus, la Terre se refroidit de plus en plus, tout s'emballe et la Terre devient une “boule de neige”. Ces épisodes de “Snowball Earth” sont arrivés plusieurs fois dans l'histoire de la Terre. Les deux principaux épisodes sont les glaciations huronienne (≈ −2,5 Ga) et sturtienne (≈ −700 Ma).

Source - © - Mikkel Juul Jensen/SPL/Cosmos dans CNRS-Le journal

Figure 31. Représentation artistique de la Terre pendant un épisode “boule de neige” (Snowball Earth, en anglais), la glaciation sturtienne

L'un des plus importants et des mieux documentés de ces épisodes, la glaciation sturtienne, a duré de −720 à −675 Ma. Comment est-on entré dans cet épisode ? C'est encore très discuté et sans doute multi-factoriel, mais une hypothèse couramment retenue fait intervenir le volcanisme. Vers −750 Ma, six provinces magmatiques géantes se mettent en place sur les continents (alors rassemblés en un mégacontinent unique nommé Rodinia). Trente millions d'années plus tard, la fragmentation de la Rodinia et la dérive des fragments continentaux ainsi formés amènent ces vastes affleurements de basaltes près des côtes et sous l'équateur, là où la température et la pluviométrie sont élevées. Ces grandes masses de basaltes sont alors la proie d'une intense altération. Or l'altération des silicates calciques comme les pyroxènes et les plagioclases libère des ions Ca²⁺ qui sera suivie de la précipitation de calcaire plus loin dans la mer. Le bilan de l'ensemble de ces processus se traduit par une absorption nette de CO₂ atmosphérique. Par exemple, pour l'altération d'un plagioclase par de l'eau chargée de CO₂ dissout, les équations s'écrivent :

Et comme un basalte contient beaucoup plus de silicates calciques qu'un granite, l'altération de grandes masses de basaltes continentaux va plus faire baisser le CO₂ atmosphérique, et donc la température globale, que l'altération d'un matériel continental. Une glaciation va s'installer. Et si les glaciers dépassent une certaine taille, l'effet albédo va entrainer une rétroaction positive ; le refroidissement va s'emballer, et la Terre va se recouvrir de glaces, calottes glaciaires sur les continents et banquises sur les mers et océans.

Le volcanisme serait donc la (une des) cause(s) de l'entrée dans cet épisode “boule de neige”.

Cette situation devrait être théoriquement irréversible, car une Terre totalement blanche renvoie vers l'espace la quasi-totalité de l'énergie solaire. Comment est-on sorti de ces glaciations généralisées ? Pendant ces épisodes, le cycle du carbone est “figé” : presque plus de photosynthèse et de respiration, plus de dissolution du CO₂ dans l'océan dont la surface est gelée, plus de précipitation et de dissolution de calcaire… Une seule chose continue : le volcanisme et ses rejets de CO₂. Ce dernier s'accumule dans l'atmosphère et va atteindre une telle teneur que l'effet de serre deviendra supérieur à l'effet d'albédo. La température remontera, et la Terre cessera d'être une boule de glace, ce qu'elle serait restée sans le volcanisme.

Le volcanisme a participé à l'entrée de la Terre dans la glaciation sturtienne ; c'est lui aussi qui l'en a fait sortir.

Ces glaciations et déglaciations généralisées s'accompagnent bien sûr de “crises” biologiques majeures. Or les grandes extinctions biologiques sont souvent suivies de l'explosion de la biodiversité et de l'abondance des survivants. L'explosion de la diversité et de l'abondance des métazoaires (dont nous sommes) débute juste après la déglaciation sturtienne de −660 Ma. Est-ce un simple hasard ? Ou nous, métazoaires, sommes-nous la conséquence indirecte d'un épisode magmatique géant ?

Source - © 2017 D'après Hoffman et al., modifié

Figure 32. Arbre phylogénétique des métazoaires basé sur les horloges moléculaires calibrées par les non-vertébrés

Il semble que les radiations ayant conduit à tous les bilatériens (= animaux “complexes”, dont les Vertébrés) aient eu lieu à la fin de la glaciation sturtienne (−715 à −675 Ma). Les glaciations postérieures du Marinoen (≈ −640 Ma) et Gaskiers (≈ −580 Ma), plus modestes et moins globales, n'ont été représentées que par des pointillés bleus.

Source : Hoffman et al., 2017. Snowball Earth climate dynamics and Cryogenian geology-geobiology, Science Advances, 3, 11, e160098 [pdf].

À quelques “soubresauts” près, cela fait 2,5 Ga (pendant le Protérozoïque et le Phanérozoïque) que l'activité interne de la Terre (dont le volcanisme) est similaire à l'activité actuelle. Par contre, avant, à l'Archéen, la Terre était plus active à cause d'un intérieur plus chaud : plaques plus petites, plus nombreuses, plus minces et plus rapides, volcanisme beaucoup plus intense, avec, en plus des basaltes, des laves de minéralogie et de chimie différente des basaltes (laves en particulier très riches en olivine et plus riches en magnésium et aussi en nickel). Ces laves particulières s'appellent des komaiites (cf. Les komatiites, des laves ultrabasiques archéennes, témoins d'une Terre interne très chaude). Elles proviennent d'une fusion partielle du manteau très importante (> 35 %), conséquence d'un manteau plus chaud.

La limite Archéen / Protérozoïque vers −2,5 Ga correspond, entre autres, à ce changement de dynamique interne. C'est d'ailleurs la disparition des komatiites qui est l'un des principaux témoins de ce changement majeur de la dynamique mantellique. On peut noter que la disparition des komatiites (laves riches en nickel) s'accompagne aussi d'une baisse de la teneur de l'eau de mer en nickel telle qu'en témoignent les sédiments marins.

Source - © 2009 D'après H. Martin, modifié Figure 33. Schéma comparant la taille des plaques actuelles (à droite) à celle (supposée) des plaques archéennes (à gauche) À l'Archéen, la plus grande production de chaleur interne était évacuée par une longueur de rides plus importante, résultant en une mosaïque de plaques beaucoup plus petites et plus rapides que celles de la Terre actuelle. La haute température du manteau et la rapidité de ses mouvement convectifs entrainent souvent une fusion partielle très importante (> 35 %) à l'origine des komatiites.

Source - © 2014 Damien Mollex / ENS de Lyon Figure 34. Échantillon de komatiite d'Afrique du Sud Voir l'article Les komatiites, des laves ultrabasiques archéennes, témoins d'une Terre interne très chaude pour la description et l'origine de ces laves particulières.

La transition Archéen / Protérozoïque à −2,5 Ga correspond aussi à la Grande oxygénation : l'apparition du dioxygène dans l'atmosphère. La contemporanéité (géologiquement parlant) entre ce changement de dynamique interne et la Grande oxygénation n'est-elle qu'un hasard ? Cette Grande oxygénation a vraisemblablement une origine multifactorielle, mais le volcanisme doit y avoir eu sa part. La photosynthèse à l'origine du dioxygène atmosphérique (quand de la matière organique est fossilisée) existait bien avant ces −2,5 Ga. Mais le dioxygène produit était “consommé” par des réducteurs, dont les principaux étaient le Fe²⁺ et l'H₂S (oxydés en Fe³⁺ et SO₄²⁻). Or le volcanisme amène directement en surface Fe²⁺ (le fer des silicates est du Fe²⁺) et H₂S. Toutes autres choses égales par ailleurs, une diminution du volcanisme entraine une diminution de l'arrivée de ces “consommateurs de dioxygène”, donc favorise l'apparition et l'accumulation de dioxygène dans l'atmosphère.

Les volcans sous-marins produisent aussi indirectement du CH₄, par l'action d'eau chaude chargée de CO₂ sur des silicates contenant du Fe²⁺ comme l'olivine, et il y avait de l'olivine, de l'eau chaude et du CO₂ dans les volcans sous-marins archéens :

Or le méthane est un réducteur, qui “consomme” beaucoup de dioxygène lors de son oxydation.

Le volcanisme produit du méthane “chimiquement”, mais aussi plus efficacement par l'intermédiaire d'archées, l'un des trois règnes du monde vivant, micro-organismes unicellulaires très souvent méthanogènes qui savent faire la réaction CO₂ + 4 H₂ → CH₄ + 2 H₂O. Or ces archées méthanogènes (du moins les archées actuelles) ont besoin de nickel pour leur métabolisme. La dernière étape de la méthanogenèse chez les archées utilise en effet une enzyme, la coenzyme-B sulfoéthylthiotransférase, dont le groupement prosthétique (le cofacteur F₄₃₀) contient du nickel, comme la chlorophylle contient du magnésium ou l'hémoglobine contient du fer.

Source - © 2008 Yibrazuul

Figure 35. Structure du cofacteur F₄₃₀, qui contient un atome de nickel au centre de son groupement prosthétique

La baisse d'intensité du volcanisme, vers −2,5 Ga et la disparition des komatiites s'accompagnent donc d'une diminution du nickel dans les eaux hydrothermales et dans la mer, donc d'une diminution de la production de méthane biogénique.

La diminution et le changement de nature du volcanisme entrainent donc une baisse de l'arrivée en surface de Fe²⁺, d'H₂S, et aussi de CH₄ d'origine “minérale” ou biologique, tous grands “consommateurs” de dioxygène. Toutes choses égales par ailleurs, cette baisse des consommateurs de dioxygène a vraisemblablement contribué à son accumulation dans l'atmosphère. Or il se trouve que le CH₄ est un puissant gaz à effet de serre. La baisse du volcanisme, entrainant la baisse de la production de méthane et son oxydation par le dioxygène apparaissant, doit donc entrainer une baisse de l'effet de serre et un refroidissement global. Or il se trouve qu'une glaciation globale (la glaciation huronienne) suit “immédiatement“ la Grande oxygénation aux incertitudes chronologiques près. Ce n'est probablement pas une simple coïncidence.

Pour apparaitre, la vie a eu besoin de molécules prébiotiques comme les acides aminés, les sucres ou les bases azotées, dont la polymérisation donne des macromolécules (protéines, acides nucléiques comme l'ADN…). Ces molécules prébiotiques ont deux origines prouvées : elles arrivent de l'espace via les comètes et les météorites, et sont synthétisées dans les sources hydrothermales périvolcaniques, et ce d'autant plus que les fluides hydrothermaux sont neutres ou légèrement basiques. Or la richesse des komatiites en magnésium neutralise voire rend basiques les eaux hydrothermales de ces temps reculés, parce qu'une serpentinisation abondante produit beaucoup de brucite [Mg(OH)₂] qui rend le milieu basique. Et la polymérisation à l'origine des macromolécules est facilitée par un milieu neutre ou basique, et par la richesse en phyllosilicates. Or l'altération d'une lave riche en olivine va produire beaucoup de serpentines (cf. Serpentinisation océanique et vie primitive). II est tout à fait possible que la vie soit née il y a environ 4 Ga au voisinage de sources hydrothermales en région komatiitique.

Source - © 2000 University of Washington/Woods Hole Oceanographic Institution

Figure 36. Fumeurs blancs (inactifs en décembre 2000) à Lost City, champ hydrothermal sur fond de péridotite près de la dorsale atlantique

C'est dans de tels contextes qu'il y a aujourd'hui synthèse abiotique d'acides aminés (cf. B. Menez et al.,2018. Abiotic synthesis of amino acids in the recesses of the oceanic lithosphere, Nature 564, 59-63). Les sources hydrothermales komatiitiques sous-marines devaient ressembler à ces sources hydrothermales péridotitiques actuelles.