Fossiles

Comprendre le climat et les écosystèmes passés



Une étude de cas des gisements du Mio-Pliocène au West Coast Fossil Park, Afrique du Sudpar Alexandra Guth, Michigan Technological University

Reconstruire un environnement: Les scientifiques combinent de nombreux éléments de preuve afin de comprendre le passé de la Terre. Les fossiles (A) montrent spécifiquement quels animaux vivaient dans une région, tandis que les sédiments entourant les os fournissent des indices importants sur le milieu de dépôt. Les os peuvent être analysés davantage pour leurs compositions isotopiques, qui sont influencées par les plantes que l'animal a consommées de leur vivant (B). De plus, le pollen libéré par les plantes a tendance à être facilement conservé dans les archives géologiques, fournissant un enregistrement détaillé des communautés florales passées. Tous ces éléments de preuve peuvent être combinés pour créer des reconstructions détaillées d'environnements qui existaient il y a des millions d'années (C).

Parc des fossiles de la côte ouest: Carte de localisation montrant l'élévation de l'Afrique (1) avec l'extension de la région du Cap occidental en Afrique du Sud (2). Sur la carte 2, l'étoile orange du sud est l'emplacement du Cap, et l'étoile bleue du nord représente le West Coast Fossil Park. La région du sous-ensemble 3 est élargie pour montrer les conditions actuelles du niveau de la mer (3A) et la situation il y a 5,2 millions d'années, lorsque le niveau de la mer était ~ 30 mètres plus élevé qu'aujourd'hui (3B). À cette époque, le site occupé par le parc fossile aurait été près de la côte où l'ancienne rivière Berg s'est vidée dans l'Atlantique. L'élévation du fond de carte de l'Afrique provient de l'ensemble de données CleanTOPO2, et l'imagerie satellite est le Landsat GeoCover de la NASA vers 2000.

Introduction

Comment savons-nous à quoi ressemblait la Terre antique avant que les gens soient là pour assister et enregistrer les conditions? L'une des principales façons dont les géoscientifiques démêlent les climats et les écosystèmes du passé est de mener des études détaillées sur les dépôts qui contiennent les restes préservés de plantes et d'animaux anciens.

La formation de fossiles est généralement rare, il est donc scientifiquement précieux de trouver des poches de restes fossiles concentrés ou très détaillés. Les gisements fossiles notables pour leur diversité ou détails sont appelés Lagerstätten (en allemand pour «Motherlode» ou «storage place»), qui peuvent être divisés en deux types principaux.

Konservat-Lagerstätten sont des endroits où les détails fins d'un organisme sont conservé (notez la similitude entre l'équivalent allemand et l'anglais en italique). Dans ces sites, les parties molles d'un organisme, qui se désintègrent normalement, sont enregistrées sous forme d'impressions ou de films de carbone. Des exemples bien connus de tels gisements sont les schistes de Burgess en Colombie-Britannique et la formation de Green River dans l'ouest des États-Unis.

La deuxième variété est le Konzentrat-Lagerstätte, qui est un endroit où il y a un grand concentration des os. Bien que ces sites ne fournissent pas beaucoup de détails précis sur les organismes, ils peuvent donner un aperçu d'un ancien écosystème en concentrant les os d'animaux qui seraient normalement répartis sur une large zone. Les exemples incluent les expositions de la formation Morrison d'âge jurassique au monument national des dinosaures dans l'Utah, et le lit d'os de Sharktooth Hill âgé de 15 à 16 millions d'années en Californie.

Un autre exemple de Konzentrat-Lagerstätten se trouve dans les dépôts de sédiments de la Formation de Langebaanweg dans le West Coast Fossil Park en Afrique du Sud. Les nombreux vestiges de ces lits fossilifères fournissent des informations importantes sur les communautés biologiques et le climat de la région il y a environ 5 millions d'années.

Découverte et développement du site

À l'origine une mine de phosphate, les fossiles ont été découverts à la fin des années 1950. Les phosphates sont extraits aujourd'hui principalement pour leur utilisation dans les engrais, et l'acide phosphorique est couramment utilisé dans les boissons gazeuses. Cependant, ces roches ont été initialement extraites pour être utilisées dans les armements de la Seconde Guerre mondiale.

Les gisements de phosphate sédimentaire sont produits dans des régions à forte productivité biologique marine, comme les plateaux continentaux modernes. En raison des conditions changeantes, le niveau de la mer dans ce cas, les régions auparavant sous-marines sont maintenant exposées sur terre et accessibles pour la détection et l'excavation. L'exploitation minière active sur le site fossile a cessé en 1993 lorsque la mine a fermé et la zone où des fossiles avaient été découverts a été mise de côté en tant que monument national (qui deviendra bientôt un site du patrimoine national). L'activité minière a peut-être détruit 80% des fossiles de ce site, mais il reste environ 1 million de spécimens préservés dans les collections du Musée sud-africain d'Iziko.

Roche phosphatique avec matière organique: Une échelle d'un centimètre à côté de la roche phosphatée. Les grains rouges représentent la matière organique phosphatée. Photo d'Alexandra Guth.

Former un Konzentrat-Lagerstätte

Il est courant de visualiser le processus de fossilisation comme un seul animal mourant puis enterré sur place. Bien que certains animaux soient morts directement dans les plaines inondables qui existaient auparavant sur le site, de nombreux restes du parc des fossiles de la côte ouest ont été déplacés et concentrés par l'eau dans ce seul endroit au fil du temps.

Probablement l '«ancêtre» de la rivière Berg s'est vidé dans l'Atlantique près du parc actuel lorsque les ossements ont été déposés. Une barre de sable au large des côtes a peut-être empêché les restes d'être rejetés dans la mer et peut également avoir simultanément agi pour piéger les restes emportés par l'océan.

Reconstruire un environnement

Différents animaux et plantes ont des besoins variés en matière d'habitat; ainsi, l'identification des vestiges pour établir quelle communauté est présente fournit des indices sur les écosystèmes passés. Cette tâche devient plus difficile pour les gisements qui représentent une faune entièrement éteinte (comme les dinosaures de la formation Jurassic Morrison), mais les restes du West Coast Fossil Park ont ​​à peine 5 millions d'années. Bien que la plupart des espèces conservées dans le parc soient elles-mêmes éteintes, elles sont étroitement liées aux espèces modernes.

En termes d'identification d'un animal, vous n'avez pas besoin de 100% des os d'un individu pour l'identifier en toute confiance. Ceci est particulièrement important, car les squelettes entiers ne sont pas couramment trouvés, en particulier à Konzentrat-Lagerstätten où les os ont été désarticulés et transportés. Il existe souvent un biais de conservation supplémentaire, où les petits os délicats sont détruits pendant le transport, tandis que les os plus épais et plus robustes sont plus susceptibles de rester intacts. Malgré ces difficultés, les paléontologues réussissent assez bien à classer et à identifier les os pour représenter la communauté antique.

Les animaux trouvés au West Coast Fossil Park indiquent que la zone était proche de la frontière de la terre et de l'océan, étant donné que les animaux marins (par exemple le phoque, le requin mégalodon, 4 espèces de pingouins) et les mammifères terrestres (par exemple la girafe à cou court, l'aardvark , hyène, hippopotame, mammouth, antilope, cheval à trois doigts, chat à dents de sabre) ont été trouvés ensemble. La présence supplémentaire de grenouilles (au moins 8, peut-être jusqu'à 12 espèces sont représentées dans les dépôts) indique qu'il devait y avoir de l'eau douce stagnante. Bien que de nombreuses espèces de grenouilles présentent une certaine tolérance à l'eau salée, aucun amphibien connu n'habite des habitats purement marins.

Lit d'os: Le lit osseux in situ affiché au West Coast Fossil Park, Afrique du Sud. L'os de la mâchoire au centre appartenait à un Sivathere, un parent éteint de la girafe moderne. La chaîne délimite une grille de 1 mètre.

Isotopes du carbone: plus qu'une simple datation par âge

Une compréhension plus détaillée peut provenir de l'examen des isotopes du carbone préservés dans les os et les dents. Alors que la plupart des gens connaissent l'isotope C-14 en raison de son utilisation dans la datation de restes récents (voir la discussion ci-dessous), le carbone possède deux isotopes qui sont plus communs et non radioactifs. Le C-12 est l'isotope le plus courant du carbone, le C-13 étant un isotope stable secondaire. Parce qu'ils sont stables, ils ne se dégradent pas avec le temps.

Différents groupes de plantes ont des rapports distincts d'isotopes de carbone qui peuvent être utilisés comme empreinte digitale pour le paléodiet des animaux anciens. Le carbone dans les plantes est utilisé pour construire des os et des dents, de sorte que les ratios dans les plantes se reflètent dans les os des animaux qui les consomment.

Ces différentes signatures isotopiques sont dues aux différentes voies métaboliques utilisées par les plantes. De nombreuses herbes sont géologiquement récentes et sont des «plantes C4», tandis que les arbres et les plantes herbacées sont des «plantes C3». Une savane est composée de plantes C4 et C3 car il y a des arbres, des arbustes et des herbes. Une forêt, en revanche, sera constituée majoritairement de plantes C3. Une flore unique en Afrique du Sud est le fynbos (prononcé: «finebose»), qui est également C3.

Un animal qui consomme principalement des plantes C3 aura un rapport isotopique du carbone différent dans ses os qu'un animal qui mange principalement des plantes C4. Les analyses effectuées sur les restes d'ongulés (mammifères à sabots: hippopotames, antilopes, girafes, cochons, etc…) indiquent que l'environnement présent au parc fossile il y a 5 millions d'années était dominé par les plantes C3.

Pollen

Bien que l'analyse isotopique ait indiqué que la région n'était pas dominée par les graminées, elle ne pouvait pas différencier les arbres, les arbustes et les fynbos. Heureusement, le pollen libéré par les plantes est généralement abondant et bien conservé dans les sédiments.

Le pollen, contrairement aux rapports isotopiques, peut identifier de manière unique une famille de plantes ou un genre qui était présent dans la région. Comme bonus supplémentaire, contrairement aux plus grandes restes de plantes comme le bois ou les feuilles, le pollen est facilement transporté par le vent et l'eau et est donc largement répandu à partir de l'emplacement d'une plante individuelle. Bien que vous ne puissiez jamais trouver une feuille fossile d'une plante individuelle, vous êtes beaucoup plus susceptible de trouver son pollen.

L'analyse des pollens au Fossil Park indique que la région il y a 5 millions d'années comprenait les familles de plantes herbacées Ranunculaceae (p. Ex. Renoncules), Cyperaceae (carex, p. Ex. Papyrus), Asteraceae (p. Ex. Marguerites) et Umbelliferae (p. Ex. Persil, dentelle de la reine Anne). La combinaison de ces familles botaniques a été utilisée pour déduire un habitat de plaine côtière. La présence des familles de plantes Asteraceae, Chenopodiaceae (pied d'oie) et Amaranthaceae (amarante) indiquait en outre des conditions plus sèches. Du pollen provenant d'arbres de la famille des Proteaceae (par exemple protea), ainsi que des genres Podocarpus (par exemple, bois jaune) et Olea (par exemple, olivier et bois de fer) était également présent.

La présence de tout ce pollen donne une image des communautés végétales qui habitaient cette région au moment du dépôt des sédiments fossilifères. Savoir quelles plantes et quels animaux étaient présents à l'époque peut alors être utilisé pour indiquer l'environnement passé.

Le problème de datation de Goldilocks Age

Le carbone 14 est l'isotope radioactif (naturel) du carbone qui est la méthode la plus connue pour dater les vieux matériaux. Cependant, la grande majorité du record de roche ne peut pas être datée avec cette technique car la demi-vie du C-14 est trop courte, et elle nécessite également la présence de la matière organique d'origine (alors que la fossilisation remplace la matière organique d'origine par plus minéraux durables). Au moment où la matière organique a 75 000 ans, il reste trop peu de C-14 dans l'échantillon pour être mesuré de manière fiable.

L'isotope radioactif du potassium (K-40) a une demi-vie beaucoup plus longue que le C-14 et est présent dans les roches ignées. Ainsi, les techniques impliquant le potassium et son produit fille Argon, peuvent être utilisées sur des matériaux qui ont éclaté des volcans il y a plus de 100 000 ans (car la demi-vie est si longue, cette technique ne peut pas être utilisée sur de très jeunes matériaux car une si petite fraction du potassium d'origine a pourri que nous ne pouvons pas le mesurer avec précision).

Malheureusement, l'Afrique du Sud n'était pas volcaniquement active pendant la période de la mort de ces animaux, de sorte que les sédiments ne peuvent pas être datés directement à l'aide de potassium-argon. Cependant, d'autres méthodes impliquant des modèles de changement du niveau de la mer, le paléomagnétisme et les fossiles peuvent être utilisées pour indiquer l'âge des sédiments.

Lier les âges aux fossiles

La biostratigraphie est une méthode de commande de l'enregistrement des roches en fonction des restes d'animaux présents, et est une alternative utile pour fournir des contraintes d'âge sur les roches fossilifères. Certaines lignées d'animaux comme les porcs et les éléphants semblent changer rapidement (au sens géologique), donc l'identification de différents ensembles de ces animaux peut aider à déterminer l'âge des roches.

Les indices des animaux fossiles limitent l'âge des sédiments du West Coast Fossil Park à environ 5,2 millions d'années. Le suid (porc) Nyanzachoerus kanamensis a été trouvé en Afrique de l'Est et dans le parc fossile. En raison du rifting actif et de l'activité volcanique associée en Afrique de l'Est, une date d'âge absolue (comme dans, nous pouvons lui attribuer un chiffre), a été associée à cette espèce. Étant donné que la famille des porcs connaissait des changements géologiquement rapides, en trouvant cette espèce, nous pouvons dire quelque chose sur l'âge des sédiments du parc.

Plus d'information
1 Isotope Analyses and the Histories of Maize: Robert H. Tykot, Chapter 10 in: J.E.Staller, R.H. Tykot and B.F. Benz (éditeurs), Histoires de maïs: approches multidisciplinaires de la préhistoire, de la linguistique, de la biogéographie, de la domestication et de l'évolution du maïs, Academic Press (Elsevier), 2009.
2 Les roches et les minéraux du Cap: J.S. Compton, Double Storey Books, Cape Town, Afrique du Sud, 112 pages, 2004.
3 CleanTOPO2: Données d'élévation du monde SRTM30 Plus éditées: Tom Patterson, US National Park Service, 2013.
4 Contexte régional et mondial du site paléontologique du Langebaanweg du Cénozoïque supérieur (LBW): côte ouest de l'Afrique du Sud: David L. Roberts, et al., Earth-Science Reviews, Volume 106: 3-4, pages 191-214, 2011.
5 L'environnement il y a 5 à 5,2 millions d'années: article sur le site Web du West Coast Fossil Park, consulté pour la dernière fois en décembre 2016.

Conclusions

La reconstruction d'un environnement peut souvent se résumer à de petits détails: signatures isotopiques dans les os, microsillons sur les dents (les rayures sur la surface des dents peuvent indiquer si l'animal était un brouteur, un navigateur ou un nourrisseur en mode mixte), des assemblages de pollen dans les sédiments , etc…

À l'heure actuelle, le parc existe sous un climat méditerranéen et est situé à plus de 10 km de l'océan. Cependant, toutes les preuves combinées indiquent qu'il y a cinq millions d'années, le parc des fossiles de la côte ouest aurait existé dans une forêt subtropicale près de l'endroit où une ancienne rivière Berg s'est vidée dans l'Atlantique.

Les restes d'animaux combinés à des indices microscopiques et chimiques créent une image cohérente de ce à quoi ressemblait cette région, même si aucun humain n'était là pour en témoigner directement. C'est de cette manière que les géoscientifiques découvrent les mystères de la vie passée et du climat de la Terre.

Aujourd'hui, ces fossiles peuvent être vus in situ (en place) au West Coast Fossil Park en Afrique du Sud, et les clients peuvent même aider à compléter l'image environnementale en recherchant des microfossiles d'oiseaux, de grenouilles, de rongeurs et de nombreux autres petits animaux sur tamis. écrans. Toutes les découvertes sont ajoutées aux collections du musée - les visiteurs ne sont pas autorisés à collecter des spécimens pour eux-mêmes, car tous les fossiles sont protégés par l'État en Afrique du Sud.

Parc des fossiles de la côte ouest

Le West Coast Fossil Park est situé à 120 km au nord du Cap en Afrique du Sud. Leur site Web contient de nombreuses informations sur le site, des instructions détaillées, des informations sur les recherches qui s'y déroulent, ainsi que des animations pédagogiques et des fiches de travail. L'auteur de cet article tient à remercier la gérante du Fossil Park, Pippa Haarhoff, pour son aide et ses encouragements.

A propos de l'auteur

Alex Guth est titulaire d'un doctorat de la Michigan Technological University, et sa thèse portait sur l'évolution volcanique du Kenya Rift. Elle a visité la région du Cap occidental en Afrique du Sud à plusieurs reprises pour aider son conseiller dans un camp de terrain en géologie, et ses recherches en Afrique ont conduit à plusieurs opportunités de travailler avec National Geographic. Son site Web peut être consulté à: //www.geo.mtu.edu/~alguth/