Cartographie du SiO2 amorphe dans les schistes du Dévonien et lien possible avec la productivité marine lors d'une diversification forestière naissante

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 1516 (2023) Citer cet article

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Le cycle de la silice dans les océans du monde n’est pas simple à évaluer à l’échelle des temps géologiques. Avec l'essor des radiolaires et des éponges à partir du début du Cambrien, la silice peut avoir deux origines de dépôt : l'altération continentale et la silice biogénique. Il est essentiel de disposer d’une méthode fiable pour différencier la silice amorphe et la silice cristalline afin de véritablement comprendre le cycle biogéochimique et inorganique de la silice. Dans cette étude, l'opale-A est cartographiée dans le bassin sédimentaire de l'Ouest canadien dans les schistes de la formation Duvernay du Dévonien supérieur à l'aide d'une imagerie hyperspectrale à ondes longues ainsi que de proxys géochimiques qui différencient le SiO2 cristallin et amorphe, au cours de l'expansion des premières forêts du monde. Signalé par plusieurs excursions isotopiques du carbone dans le Frasnien, l'événement punctata correspond à l'expansion des forêts lorsque les plantes vasculaires terrestres développent des graines et des réseaux racinaires plus profonds, entraînant probablement une pédogenèse accrue. Les nutriments provenant d’horizons de sol plus épais qui pénètrent dans le domaine marin sont liés à des niveaux plus élevés de productivité primaire dans les océans et à un manque d’oxygène qui en résulte dans les eaux plus profondes à cette époque. Les résultats de cette étude révèlent, pour la première fois, la répartition spatiale du SiO2 amorphe dans un bassin sédimentaire lors de ce changement majeur dans le domaine terrestre lorsque les forêts s'étendent et développent des réseaux de racines plus profonds.

Un changement majeur dans le climat et les niveaux d'oxygène dans l'atmosphère terrestre a commencé près de la limite Emsien-Eifélien (~ 395 Ma)1 et s'est poursuivi jusqu'au Frasnien inférieur lorsque les forêts se sont étendues2,3,4. Les premières forêts du monde ont été identifiées à la fin de l'Emsien au Spitzberg et dans les strates du Givetien à Gilboa, New York, États-Unis5,6. Cependant, Capel et al.3 identifient plusieurs impulsions majeures d'origine-extinction au cours du Silurien-Dévonien qui ont finalement abouti à une transition vers un paysage terrestre boisé au cours du Dévonien moyen. À la fin du Givétien, les réseaux racinaires s'étaient approfondis et au Frasnien, les forêts de progymnospermes d'aneurophytes et d'archéoptéridés étaient courantes, ce qui entraînait la formation d'horizons de sol plus épais ; augmentant ainsi l'apport de nutriments d'origine terrestre au milieu marin2,4,7. Des études antérieures sur ces changements dans la biodiversité prédisaient qu'un apport accru de nutriments pourrait avoir entraîné une augmentation de la productivité, une stratification de l'oxygène, un dépôt de schistes noirs riches en matières organiques et une eutrophisation dans les mers épicontinentales du Frasnien2,4,8,9. Les sédiments lacustres du Dévonien moyen à supérieur du Groenland et du nord de l'Écosse révèlent une perte nette de phosphore (P), un nutriment biolimitant essentiel qui devrait diminuer dans un environnement terrestre en cours de colonisation végétale où le P est libéré indirectement des minéraux par l'acidification de espaces poreux des racines produits par la dégradation de la matière organique et la libération d'exsudats organiques des racines8,10,11. Un changement significatif et durable du δ13C dans la zone des conodontes punctata, que l'on pense être causé par l'apport accru de nutriments libérés (par exemple P) qui amélioreraient la productivité et l'enfouissement du carbone organique dans le Dévonien moyen à supérieur, est appelé événement punctata. (PE) et est reconnu dans les bassins du monde entier12. La productivité suspectée associée au pE peut également entraîner une amplification du SiO2 amorphe d'origine biologique dans les zones ayant connu un afflux de nutriments via l'apport de sols formés par des réseaux racinaires plus profonds2,8. Le SiO2 amorphe a été systématiquement sous-estimé dans les séquences sédimentaires anciennes, ce qui fausse notre compréhension du cycle biogéochimique mondial de la silice13,14,15,16. La silice présente dans les schistes était communément interprétée comme étant d'origine terrigène ; cependant, Schieber17 et Schieber et al.14 ont démontré que des proportions importantes de limon quartzeux dans les schistes pouvaient être d'origine biogénique ou diagénétique, en particulier après le Cambrien inférieur, lorsque les radiolaires et les éponges siliceuses ont commencé à proliférer16. Les schistes de la Formation Frasnienne Duvernay riches en SiO2 présentent des excursions δ13C(org) caractéristiques du pE, qui ont également été documentées dans les montagnes Rocheuses canadiennes18. Ces dépôts de bassin sont donc examinés dans cette étude afin de déterminer si le SiO2 dans les schistes de Duvernay est d'origine biologique et si l'augmentation des dépôts de SiO2 pourrait être liée au changement important du domaine terrestre lorsque les forêts mondiales se sont étendues.