Portrait de famille

paleontologistsNous avons 4 micropaléontologues à bord du Joides. Chacun d’entre eux est spécialisé dans un groupe de microfossiles.  Laissez-moi vous présenter cette équipe de choc! De gauche à droite: Freya pour les Diatomées, Wen-Huang pour les Foraminifères, Jan pour les Nannofossiles et Sarah pour les Radiolaires.

Pourquoi utiliser les fossiles?

Pour dater les sédiments! Données cruciales pour être capable de reconstituer l’histoire géologique de la région.

Pourquoi des microfossiles?

Question de pratique!

  • On ne tombe pas sur des os de T-Rex tous les jours (faut pas croire ce qu’on voit dans les films..).  Les microfossiles sont abondants, largement distribués et on les trouve dans pratiquement tous les environnements marins.
  • Ils existent depuis des millions d’années ce qui permet de dater la plupart des roches sédimentaires.
  • Les espèces ont évolué graduellement ce qui permet de trouver différentes associations d’espèces pour chaque période (on parle de “biozone”).
  • Pour finir, ils sont petits et faciles à collecter, même lorsque les puits sont profonds.

Afin de faire connaissance avec ces différentes familles de microfossiles, Sarah a eu la gentillesse de nous préparer une lame représentative du contenu fossilifère trouvé au niveau du plancher océanique  à 4126 m de profondeur (site U1480) .

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Photos des 4 groupes de microfossiles trouvés sur le plancher océanique lors de l’expédition 362 (Préparation et photos par Sarah Kachovich)

Tous ces fossiles sont des unicellulaires présents dans le plancton. Radiolaires et Diatomées ont un squelette siliceux (SiO2). Les Diatomées appartiennent au phytoplancton (“phyton” = végétal en grec). Réalisant la photosynthèse, elles ne se trouvent que dans la zone photique durant leur vie (jusqu’à ~200 m lorsque les eaux sont claires). Au contraire, les Radiolaires appartiennent au zooplancton (“zoo” = animal), on peut donc les trouver à n’importe quel niveau de la colonne d’eau.

Le squelette des Foraminièfres et des Nannofossiles est fait de carbonate de Calcium (CaCO3). Les Foraminifères (les “Forams” comme on les appelle familièrement) ont des coquilles formées de chambres qui s’ajoutent les unes aux autres au cours de la croissance, les formes les plus simples étant de simples tubes ou des sphères creuses. La plupart des espèces de Forams vivent dans ou sur le sable, les roches et les plantes de la tranche d’eau supérieure; les autres sont planctoniques, c’est-à-dire qu’ils vivent dans la colonne d’eau.

Les Nannofossiles sont quant à eux si petits qu’ils sont à peine discernables avec un microscope optique. Ce ne sont pas à proprement parler des restes d’organismes entiers mais plutôt des fragments de restes d’organismes. Les coccolithophores sont un des groupes emblématiques produisant des Nannofossiles. Ce sont des algues unicellulaires, très abondantes dans les océans, qui produisent des plaques de calcaire en forme de disque qui, assemblées entre elles, forment une coccosphère (compter de 10 à 30 coccolithes par sphère). A la mort de l’organisme, les plaques se détachent les unes des autres, tombent au fond de la mer et sont préservées en tant que Nannofossiles. La photo illustre la monstrueuse différence de taille entre un radiolaire (à gauche) et un Nannofossile (à droite).

Comparaison entre la taille d'un radiolaire (à gauche) et un Nannofossile (à droite) (photos de Sarah Kachovich)
Comparaison entre la taille d’un radiolaire (à gauche) et un Nannofossile (à droite) (photos de Sarah Kachovich)

Les Nannofossiles, au même titre que les Diatomées, appartiennent au phytoplancton. Réalisant la photosynthèse, on les trouve à l’état vivant principalement dans les 50 premiers mètres. Leur mode de vie planctonique, leur évolution rapide et leur abondance exceptionnelle* en font un groupe très recherché pour la biostratigraphie.

* Les coccolithes sont les constituants majeurs de la craie!

Comment l’utilisation des microfossiles permet-elle de déterminer l’âge des sédiments?

Plus nous avançons dans le forage, plus l’âge des fossiles rencontrés augmente. Les espèces de microfossiles, au même titre que toutes les espèces, sont apparues, ont évolué et la plupart d’entre elles ont disparu.

L’objectif des micropaléontologues? Utiliser l’assemblage des espèces trouvées simultanément dans un niveau sédimentaire afin de pouvoir estimer son âge. Donner un âge à un sédiment ou à une roche en utilisant son contenu fossilifère s’appelle faire de la “biostratigraphie”. Ce qui sous-tend la biostratigraphie est la notion de “biozone”. Une biozone est une unité stratigraphique (une “couche” pour faire simple) caractérisée par son contenu en fossiles (absence ou combinaisons de certaines espèces). On peut définir 5 types de biozones:

  • Taxon Range Zone (TRZ)  = Zone de distribution totale d’un seul taxon. Les limites inférieure, supérieure et latérale de la zone sont caractérisées par la présence du seul taxon A. Définition d’un taxon ici.
  • Concurrent Range Zone (CRZ) = Nécessite la coexistence de 2 taxons différents qui doivent se chevaucher. La limite inférieure est marquée par l’apparition d’un taxon et la limite supérieure par la disparition d’un autre.
  • Base Zone (BZ) et Top Zone (TZ): ce sont des zones d’intervalles. Deux taxons-indice seulement définissent les limites. L’apparition d’un des 2 taxons et la disparition de l’autre marquent les limites inférieures ou supérieures.
  • Partial Range Zone (PRZ) = Zone d’intervalle établie pour séparer l’éventail des espèces C sur la base de la présence (ou de l’absence) des 2 autres taxons (A et B) qui n’ont pas coexisté.

ça a l’air très compliqué comme ça mais sur la figure, c’est nettement plus simple:

Les 5 possibilités pour la caractérisation biostratigraphique des biozones (Backman et al. , 2012)
Les 5 possibilités pour la caractérisation biostratigraphique des biozones (Backman et al. , 2012)

A noter que toutes les espèces n’ont pas la même valeur stratigraphique: certaines espèces ont évolué très lentement et ont existé pendant de très longues périodes. Ainsi, les contraintes apportées sur l’âge ne sont pas suffisamment importantes. Alors que dénicher dans les sédiments une espèce ayant eu une courte durée d’existence remplit de joie nos spécialistes.

De même, peu importe qu’une seule espèce soit excellemment représentée et conservée. Ce qui est compte, c’est d’avoir un échantillonnage maximal des espèces ayant vécu ensemble afin d’avoir une contrainte précise sur la biozone. Concrètement, plus le nombre d’espèces trouvées dans le sédiment sera importante, meilleure sera l’estimation de l’âge.

Les micropaléontologues sont donc très courtisés sur le Joides car leur travail est essentiel. Les âges qu’ils estiment sont indispensables pour que les autres équipes (sédimentologues, structuralistes, propriétés physiques) puissent analyser les séquences de sédiments et de roches forées. Grâce à l’âge, on peut accéder aux taux de sédimentation, les relier éventuellement à des changements climatiques et/ou à des événements tectoniques majeurs (la surrection de l’Himalaya par exemple en ce qui nous concerne).

Pour conclure, une citation de Baltasar Gracian y Morales: “Aie la connaissance ou écoute ceux qui l’ont”.

Et paf…

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Quand les sédimentologues rencontrent l’équipe des propriétés physiques, l’ambiance est studieuse: les interprétations des différentes données se doivent d’être cohérentes entre elles et apparemment, ce n’est pas une mince affaire!

For a few barrels more

Une petite animation sur le forage avant de commencer votre lecture? C’est ici.

J’avais expliqué dans un post précédent (“A l’assaut”) comment on forait dans des sédiments mous (c’est-à-dire jeunes). Lorsque la profondeur du forage augmente, les roches sont de plus en plus anciennes, compactées et dures. Impossible donc de continuer à utiliser le système APC/XCB qui fonctionne sur le principe d’un emporte-pièce. Pour forer à de grandes profondeurs, il faut avant tout réaliser un casing (voir le post “Bref, on a monté le casing”) pour stabiliser la partie supérieure du puits et dans un deuxième temps, il faut changer la tête de forage.

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Tête de forage de type RCB

L’arme lourde pour forer des sédiments ou des roches dures, c’est le RCB (Rotary Core barrel). Comme son nom l’indique, la principale différence avec le système APC/XCB réside dans le fait que la tête de forage est en rotation permanente.

Le carottier de type RCB est composé de 2 parties emboîtées l’une dans l’autre. La partie externe est solidaire de la tige de forage, c’est-à-dire qu’elle est en rotation alors que la partie interne, qui contient les roches ou les sédiments, est maintenue immobile.

Le carottier est lâché à l’intérieur de la tige de forage depuis la surface et tombe librement jusqu’au BHA (Bottom Hole Assembly) qui correspond à la partie inférieure du puits. La tige de forage est mise en mouvement par une perceuse monumentale appelée “top drive”.

La tête de forage RCB entaille la roche au cours de sa rotation et la partie interne du carottier se remplit progressivement. Une fois la longueur désirée obtenue (9,7 m), il faut récupérer le carottier au fond du puits… Dans l’industrie pétrolière, le carottier est toujours attachée à l’extrémité de la tête de forage ce qui signifie que, lors de sa récupération, il faut remonter la totalité de la tige! Ce système n’est pas applicable ici, en forage profond. Nous sommes au-dessus de 4 km d’eau et nous avons foré ~1 km de sédiments… Avec le système classique, il faudrait compter au moins 1/2 journée de travail pour récupérer un seul carottier…

Sur le Joides, les foreurs utilisent des “sinkers bars” pour récupérer le carottier au fond du puits. Les “sinkers bars” descendent tout le long de la tige de forage afin de se clipser solidement sur la partie supérieure du carottier appelée le “pulling neck”. La partie interne du carottier est ensuite remontée grâce à un câble métallique attaché aux “sinkers bars”.

Une fois le carottier arrivé sur le Rig floor, le “core liner” (le tube en plastique transparent qui contient les roches ou les sédiments) est extrait de la partie interne du carottier. Direction: le catwalk! (mon post sur le catwalk: “Tout le monde veut devenir un cat”).

En images, ça donne ça:

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Et si vous voulez en savoir plus les systèmes de forage, c’est ici.

Et j’ajouterais…

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In the mud for love

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A la vue de tous ces “cores” gris reposant les uns à côté des autres et des scientifiques passant leur journée, le nez dessus, loupe à la main, à l’affut de la moindre variation dans la couleur, la granulométrie et la disposition des particules, un spectateur non averti pourrait se demander s’ils ont encore toute leur raison.

OK, ce “core”-là est gris.

Celui-là aussi…

Tiens, comme cet autre, là…

Mais quel intérêt les sédimentologues peuvent-ils trouver à l’étude de toute cette boue grisâtre?

En fait, des intérêts, il y en a des tas.

Encore faut-il avoir été initié pour le réaliser. Un de nos sédimentologues made-in-mud a bien voulu partager avec moi quelques uns de ses secrets (au passage, merci Hugo pour ta patience).

Alors, qu’y a-t-il de tellement fascinant dans cette boue?

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Hugo à l’œuvre

Commençons par préciser que, pour un géologue, le terme “boue” n’évoque pas automatiquement de la terre mouillée qui colle aux chaussures mais plutôt un complexe assemblage de particules d’origine différentes. La présence, la concentration et la distribution de chaque type de particules permet aux scientifiques de remontrer dans le temps, que ce soit en termes de climat, de volcanisme ou de conditions océanographiques.

Qu’avons-nous identifié dans notre “boue”?

La majorité des particules de notre “boue” est d’origine terrigène c’est-à-dire qu’elles ont été formées par l’érosion et l’altération chimique des roches constituant les chaînes de montagnes. Leurs tailles sont variées et comprises entre 2 µm pour les argiles jusqu’à 0,2 mm pour les sables fins. L’analyse de leur composition chimique (voir le post sur les smear-slides) a permis aux scientifiques de penser qu’une partie de ces particules provenait de l’érosion des montagnes himalayennes, à quelque 2000 km de notre site de forage!

En voilà un long voyage pour de si petites particules…

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De l’origine de la boue…

Ce voyage commence donc dans les montagnes himalayennes où les particules produites  sont transportées par les ruisseaux, les torrents et les rivières jusqu’à la mer où elles s’accumulent dans le delta de l’ensemble Gange-Brahmaputra. On estime que près de 80% des particules se déposent au niveau de la plaine côtière (“coastal plain”) et de la plate-forme continentale (“shelf”). La grande majorité des sédiments est ainsi piégée sous forme des dépôts sédimentaires très épais: jusqu’à 16,5 km de sédiments déposés durant les derniers 55 Ma dans la baie du Bengale!

A montages exceptionnelles, delta exceptionnel!

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La baie du Bengale (Google Map)

Cependant, au vu de la quantité de matériel érodé, un volume significatif de sédiments (les 20% restant) atteint quand même le talus continental (“continental slope”) et s’accumule dans des bassins ou des canyons creusés au sein de ce talus. A l’occasion d’une grande tempête, d’un séisme ou simplement lorsque l’accumulation des sédiments devient trop instable, les dépôts glissent au bas du talus continental jusqu’à la plaine abyssale. Pour  vous imaginer le phénomène, pensez à une avalanche mais une avalanche ……de boue et …..sous l’eau! (Je sais, je vends du rêve). Les géologues appellent ce type de coulées des “écoulements gravitaires”. Les volumes considérés sont compris entre des dizaines et des centaines de km3 ! Des coulées de même type sont aussi connues pour se produire lors des grandes crues, notamment pendant la mousson.

Sables et argiles sont ainsi transportés vers l’océan profond, en quelques heures à quelques jours, sur des centaines à des milliers de km de distance de la ligne de côte! Pour la baie de Bengale, ce serait sur plus de 3000 km de long pour une largeur d’environ 1000 km (Curray et al., 2003).

Mais toutes les particules ne sont pas d’origine terrigène dans notre “boue”. En milieu océanique, une partie des dépôts est d’origine biogénique. A la mort des organismes constituant le plancton, les tissus organiques se décomposent mais les squelettes et les coquilles (faites de calcaire ou de silice) tombent dans la colonne d’eau et, lorsqu’elles sont préservées, s’accumulent sur le plancher océanique pour former les “oozes”, pour le plus grand bonheur des paléontologues du bord.

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Ooze typique

Il faut être équipé d’un bon microscope pour analyser ces sédiments car la taille des microfossiles est comprise entre 0,001 et 0,000001 mm! Par ailleurs, essayez de penser au temps nécessaire pour accumuler, ne serait-ce que quelques centimètres de ce type de sédiment…Comptez plusieurs centaines d’années pour déposer les quelques centimètres de la photo par exemple.

De temps en temps, au milieu de nos alternances de gris, nous trouvons d’autres niveaux de ….gris. Lorsque je vois  le sourire de notre volcanologue Steffen s’agrandir, je me doute que ce gris-là, c’est le gris qui signe la présence d’un téphra.

Vous l’aurez compris, qui dit “tephra” dit “volcan”. Les éruptions volcaniques peuvent en effet produire des quantités massives de très fines particules qui seront transportées par l’atmosphère et le vent. Quand le vent cesse ou lorsque les particules s’agrègent, elles tombent et recouvrent l’ensemble du paysage. Si elles tombent à terre, elles seront en général assez vite lessivées par les pluies mais si elles tombent en mer, elles s’accumuleront sur le plancher océanique et donneront des téphras!

Ainsi, nous avons une équipe de choc sur le Joides pour “faire parler la boue” c’est -à-dire lui faire révéler de quoi elle est formée, où elle s’est formée et quand elle s’est formée…

Et au vu des km de cores que l’on remonte sur le pont du Joides, je me dis que notre équipe de choc a de quoi s’amuser!

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