Les marqueurs sédimentaires de variations climatiques à
grande échelle de temps
Les
changements climatiques aux grandes échelles de temps
Les
variations climatiques au cours des 700.000 dernières années sont suffisamment
fines pour avoir une bonne résolution, de l’ordre de mille ans. Les
paléo climatologues sont capables de remonter beaucoup plus loin dans le temps
mais les indices sont de moins en moins nombreux, de plus en plus imprécis et
donc la résolution de moins en moins bonne, de l’ordre du million d’années.
A.
Les marqueurs de changements climatiques à
grande échelle
Les archives disponibles pour la reconstitution des
paléoclimats sont essentiellement, et d’après le principe d’actualisme, les
roches sédimentaires et leur gisement fossilifère dont la formation est liée au
climat :
-les
microfossiles (foraminifères, coccolithophoridés): certaines espèces
sont spécifiques d’un climat donné. (voir cours précédent)
- les
latérites et la bauxite sont présentes dans des milieux continentaux
sous un climat marqué par l’alternance d’une saison sèche et d’une saison très
humide, c’est-à-dire un climat tropical
-les coraux
fossiles témoignent également d’un climat tropical, mais cette fois en
milieu marin,
- le pétrole,
est le résultat d’un enfouissement de grandes quantités de matière organique (phytoplancton)
produite en milieu marin sous un climat polaire ou tempéré ou aride ou tropical.
-le charbon est le
résultat d’un enfouissement de végétaux produits en milieu tempéré ou tropical.
- les
traces de stries et de polissage de roches, la
présence de moraines qui donneront après consolidation des tillites, les
vallées en U sont les témoins d’un ancien glacier. Climat polaire.
-l’indice stomatique fossile permet, via une approche de la détermination de la
concentration en CO2 d’estimer les températures passées.
Voir TP noté!
Remarque :
les marqueurs climatiques sont plus ou moins précis pour déterminer le climat
(ex : pétrole), il faut donc
parfois faire des recoupements avec d’autres marqueurs.
B.
Les
mécanismes qui contrôlent les variations climatiques à grandes échelles
géologiques
Le climat
dépend d’effets astronomiques mais surtout de la teneur en CO2 atmosphérique.
1. Les
mécanismes qui consomment du CO2 favorisent un refroidissement du climat par
baisse de l’effet de serre:
- la photosynthèse réalisée par les producteurs
primaires consomme du CO2 mais la respiration réalisée par ces mêmes producteurs
primaires et les autres maillons des chaînes trophiques compensent cette
consommation. Par contre, l’enfouissement de la matière organique et la formation
de tourbe, houille, charbon et pétrole, piège du CO2 atmosphérique dans la lithosphère,
et contribue ainsi à une diminution de l’effet de serre.
6 H2O + 6 CO2à C6H12O6 + 6 O2
Plusieurs
inventions biologiques ont pu jouer un rôle important, en jouant sur l’un ou
l’autre cycle :
–
L’invention de la coquille (de carbonate de calcium), à la limite
précambrien-cambrien (0.6 Ma) est un moment important, qui facilite le piégeage
du CO2sous forme
de carbonates.
– On
a attribué la diminution du CO2 atmosphérique
(vers 400-300 Ma) à l’invention de la lignine par les arbres.
Seuls
les champignons savent la dégrader ;
mais ils n’apparaissent que 50 Ma plus tard. Il y aurait donc une
période de 50 Ma pendant laquelle la matière organique formée par les arbres ne
peut pas être dégradée, et reste piégée (puis est fossilisée, contribuant aux
gisements de charbon).
- l’altération des carbonates par dissolution
transfert du CO2 atmosphérique vers l’hydrosphère:
CaCO3 + H2O + CO2 à Ca2+
+ 2 HCO3-
- l’altération des silicates des roches
magmatiques ou métamorphiques constitutives des chaînes de montagne,
consomme également du CO2 lors du démantèlement des reliefs par érosion.
Il y a transfert de CO2 atmosphérique vers la lithosphère :
CaSiO3 + H2O+ 2 CO2 à SiO2 + Ca2++ 2 HCO3-
- le
volcanisme libère dans l’atmosphère de grande quantité de CO2. Le
volcanisme, intra - plaque avec les points chauds, sous-marin au niveau des
dorsales ou continental dans les chaînes de subduction sont donc une source
importante de transfert de CO2 mantellique vers l’atmosphère.
- la
formation ou précipitation des carbonates transfert du CO2 hydrosphérique vers l’atmosphère:
Ca2+
+ 2 HCO3- à
CaCO3 + H2O + CO2
Cette
réaction de précipitation peut être compensée par la dissolution.
- l’altération
de la croûte océanique libère du CO2 :
CaSiO3 + Mg2+ + 2 HCO3- à MgSiO3
+ H2O +CO2
- la
réaction d’altération des silicates couplée à la réaction de précipitation des
carbonates libère du CO2 :
CaSiO3 + H2O + 2 CO2 à SiO2 + Ca2++ 2 HCO3- à SiO2 + CaCO3 + H2O+ CO2
L’ensemble
des études climatologiques réalisées des grandes périodes montre l’importance du taux de CO2 sur
le climat.
Remarque : il existe des cycles au niveau du
climat sur de longues périodes, notamment à cause de variations cycliques de
paramètres orbitaux mais aussi de paramètres entrant dans le cycle du carbone...
Exemple : Les cycles orogéniques/rupture des continents
De façon schématique, les continents se fragmentent en créant des
rifts et des océans, donc du volcanisme important (d’ou émission de CO2) ; et se regroupent en formant des chaînes de montagnes, qui
s’altèrent et consomment du CO2. L’histoire récente du climat, pour autant
qu’on puisse en juger, témoigne d’une alternance de périodes globalement
froides, lors du regroupement des continents (Permien, présent) et de périodes
chaudes, lors de la phase de dispersion des continents (Crétacé).
En
résumé : Les fluctuations de l’atmosphère actuelle (influençant le
climat):
Depuis 2.0 Ga,
l’atmosphère évolue dans des limites assez proches de l’atmosphère actuelle,
avec quand même des fluctuations non-négligeables. Deux cycles régulent le taux
de CO2 atmosphérique
:
– Le cycle
photosynthèse/respiration : CO2 + H2O CH2O + O2,
qui n’est efficace à l’échelle géologique qu’en cas de piégeage de CH2O (matière
organique) sous forme de charbon, pétrole et autres black shales. C’est ce
cycle que l’homme est en train de perturber depuis la révolution industrielle.
Des versions rapides du même existent (les échanges biomasse–atmosphère), mais
leur effet est faible à négligeable pour des périodes géologiques longues et ne
fait qu’induire des oscillations rapides, superposées aux cycles longs liés aux
sédiments.
– Le cycle
altération/précipitation : comme évoqué plus haut, l’altération des roches
consomme du CO2, pour former des ions dissous et ultimement des carbonates,
finalement recyclés dans le manteau. Par ailleurs, le volcanisme libère du CO2dans
l’atmosphère, assurant le flux en retour. C’est un cycle long, qui fonctionne à
l’échelle de 100 Ma.
Plusieurs paramètres
contrôlent la composition de l’atmosphère (et la température terrestre, comme
un sous produit), en jouant sur ces cycles (le second, le cycle long en
particulier)
Pour être complet : on peut mentionner
que le climat dépend, en partie du potentiel d’effet de serre de l’atmosphère
(largement lié au CO2), mais aussi de la quantité d’énergie solaire
reçue. On ne peut donc pas établir un lien direct entre CO2et
température (sauf si on sait que les autres choses ne bougent pas). Les
paramètres suivants peuvent jouer :
a. La
géographie
Les glaciations (qui
sont, au moins en partie, des phénomènes climatiques auto-entretenus, ou en
tout cas avec feed back positifs du genre froid ) neige ) albedo augmente
)
encore
plus froid) ne peuvent opérer que dans un contexte favorable, avec des
continents à des latitudes assez élevées pour que le climat y soit
potentiellement froid. Le hasard de la disposition des continents joue donc un
rôle, lui aussi.
b. Des
variations de l’ensoleillement
On a proposé que la
quantité d’énergie solaire qui arrive sur Terre ait variée au cours du temps,
soit pour des causes internes, soit en raison par exemple de traversée de
nuages de poussières galactiques causant une “ombre” sur Terre. La aussi, la
snowball protérozoïque a été interprétée de cette façon.
c. Les
variations orbitales de la Terre
Ce sont les
classiques “cycles de Milankovitch” ; notez qu’ils jouent à des échelles de
temps de 10-100 000 ans, soit un millième des échelles de temps utilisées
jusqu’ici ! Autant dire qu’ils sont indiscernables dans les phénomènes discutés
plus haut, bien qu’ils aient sans doute eu lieu. Il semble plausible qu’ils
n’aient un effet majeur que quand le climat est globalement assez froid pour
qu’il soit possible de déclencher une glaciation –— quand le climat est trop
chaud, il y a bien des oscillations mais elles sont moins spectaculaires.
Des
rétroactions
Enfin, il y a toutes
sortes de feedbacks entre CO2 et climat : par exemple, un climat plus froid
défavorise la photosynthèse, donc limite la consommation de CO2atmosphérique.
. .
Le jeu complexe de
tout ces paramètres contrôle les variations de la chimie atmosphérique, et du
climat dans l’atmosphère “moderne”, à O2 élevé et CO2 faible.
Application: Le climat du Crétacé.
Un sujet et des éléments de correction, il reste à mettre en forme.
http://escaut.portail-svt.com/articles.php?lng=fr&pg=158
http://svt.ac-besancon.fr/bac-s-2016-liban/
Cours très intéréssant MERCI
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