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InstitutAgroGeologieClimat-2024
Frédéric Gresselin
Created on August 1, 2024
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Transcript
Les climats du passé et leurs facteurs de contrôle
Ne me dites pas que mes impôts servent à payer ce genre d'études !
Cours Institut Agro Rennes-Angers Frédéric Gresselin septembre 2025
Focus sur les variations climatiques en Armorique au cours des temps géologiques. Incidence sur les environnements
Ils sont incapables de prévoir le temps de demain alors le climat du mois dernier, laissez moi rire !
Quelques outils et principes à l'origine de la caractérisation des paléoclimats
01
L'analyse de la géologie et des climats anciens est fondée sur quelques principes dont certains sont communs aux deux disciplines
La tectonique des plaques : vers une meilleure compréhension des variations climatiques sur Terre
Wegener étudie la distribution des espèces ayant vécu à la limite Permien / Trias (250 Ma) et s'interroge sur la façon dont ces espèces auraient pu circuler d'un continent à un autre, au regard de leurs milieux de vie et caractéristiques
Alfred Wegener 1880-1930
La tectonique des plaques : vers une meilleure compréhension de l'organisation des variations climatiques sur Terre
Wegener étudie également la distribution des calottes glaciaires de la limite Permien / Trias (250 Ma)
Alfred Wegener 1880-1930
Les parties du globe ayant été affectées par des glaciations à la limite permo-trias sont peu nombreuses et plutôt situées dans l'hémisphère sud
La solution de Wegener: la Pangée
Alfred Wegener 1880-1930
Sa théorie révolutionnaire lui permet de faire une synthèse géologique de première importance et de montrer que des blocs éloignés s'emboîtent presque parfaitement bord à bord comme les pièces d'un puzzle si on supprime les océans indien et atlantique
Alfred Wegener est un astronome et climatologue allemand. Sa théorie, trop avant-gardiste, ne sera pas partagée par ses pairs. Elle ne deviendra un paradigme que dans les années 1970, plus de 40 ans après sa mort.
Distribution des cratons et chaînes de montagnes anciennes de part et d'autre des océans
La datation des roches
- la datation relative
- la datation absolue : principalement basée sur l'étude de la désintégration radioactive des isotopes instables présents dans les roches. Cette méthode utilise la demi-vie des isotopes pour déterminer l'âge absolu des échantillons. Inventée dans les années 1940 par Willard Frank Libby 14C
- selon le type et l'âge présumé de la roche, l'analyse cible différents types de minéraux et couples atomiques "pères" instables et fils radiogéniques
- dans les roches magmatiques anciennes, les datations sont préférentiellement faites sur le zircon dont l'uranium radioactif 235U se désintègre en 207Pb (1/2 vie d'environ 700 Ma) et l'238U en 206 Pb (1/2 vie de 4,5 milliards d'années). Le minéral initial est dépourvu de plomb. Les quantités respectives de plomb et d'uranium permettent de calculer l'âge de la roche avec une plage de datation s'étendant de 1 Ma à 4.5 milliards d'années.
- La précision de cette méthode varie entre 0.1 % et 1%
biotite
zircon
zircon
biotite
cristaux de zircon dans une biotite (mica noir), montrant des auréoles de désintégration radioactive
Evaluer la température et ses variations en l'absence de mesures instrumentales : la méthode dite des proxies
- Principe : établir une relation entre un paramètre et la température
- La dendrochronologie : la croissance des arbres est influencée par la température
- La palynologie : les pollens contenus dans les tourbières ou les sédiments lacustres sont des indicateurs thermiques
- L'étude des isotopes de l'oxygène de la molécule d'eau. Lorsque la température augmente, le rapport δ18O / δ16O augmente dans la vapeur d'eau. C'est l'inverse quand la température diminue. L'analyse du rapport δ18O / δ16O dans les glaces des calottes glaciaires permet de comprendre les variations thermiques sur des périodes s'étendant à - 0.8 Ma actuellement
- L'étude des isotopes de l'oxygène dans le CaCO3 permet également d'approximer la température d'un milieu. On utilisera ici des protozoaires benthiques des grands fonds, fossilisés dans des sédiments océaniques, des concrétions calcaires dans des grottes, le squelette des coraux...
- L'imprécision des méthodes implique de croiser les résultats produits par plusieurs types de proxies
La température joue sur la concentration de 18O dans la vapeur d'eau et les océans
température élevée
δ18O élevé
fort pouvoir évaporant
18O ____ 16O
échantillon
δ18O bas
______________
x 1000
-1
δ18O =
température basse
18O ____ 16O
standard
δ18O bas
faible pouvoir évaporant
défini à Vienne en 1968 VSMOW
δ18O élevé
Vienna Standard Mean Ocean Water
Le δ18O baisse progressivement avec l'altitude du fait de la baisse de la température : moindre capacité à évaporer de l'eau enrichie en 18O
L'analyse des variations dans le temps de δ18O doit se faire à altitude constante
précipitations appauvries en 18O
évaporation s'appauvrissant en 18O
pluie fortement chargée en 18O
forte évaporation concentration élevée de la vapeur d'eau en 18O
Le δ18O baisse progressivement avec la latitude du fait d'une baisse de la température et d'une circulation générale des masses d'air atmosphérique de l'équateur en direction des pôles
δ18O bas
Il convient donc d'analyser les variations temporelles du δ18O à la fois à altitude et latitude constantes. Il est possible de l'étudier dans les glaces des inlandsis du Groenland et de l'Antarctique (H2O) mais aussi dans les carbonates de calcium CaCO3 contenus dans certains organismes marins fossilisés dans des sédiments océaniques ou dans les grottes (concrétions)
δ18O élevé
équateur
δ18O bas
source : palaoe-electronica
Planulina wuellerstorfi un foraminifère benthique
Les carottes glaciaires : le climat des 800 000 dernières années mais pas seulement
2016 la concentration en CO2 atmosphérique atteint 420 ppm
glace : H218O
1980 : baisse de la concentration atmosphérique en plomb
air : CO2, CH4, δ15N ...
1975 : détection du DDT
impuretés : pollutions, poussières volcaniques ...
1915 : le CO2 atteint un niveau jamais atteint en 800 000 ans
1870 : le méthane atteint un niveau jamais atteint en 800 000 ans les valeurs de CO2 commencent à s'élever significativement
source : British Antarctic Survey
1765 : machine à vapeur (James Watt) concentration atmosphérique de CO2 de l'ordre de 280 ppm
1760 : le rapport 13C/12C du CO2 atmosphérique change du fait de la déforestation
Variations du δ18O dans deux carottes de glace réalisées au sein de l'inlandsis du Groenland
Le forage NGRIP débuta en 1999 et s'acheva en 2003 lorsque le socle fut atteint à la profondeur de 3085 m Le forage GRIP n'avait pas atteint l'Eémien. Le socle sous-jacent, en pente, avait par ailleurs généré de l'écoulement dans la glace, ce qui s'était traduit par une certaine imprécision des résultats. Le substratum rocheux de NGRIP est plat, objectif recherché.
Eémien
NGRIP : North Greenland Ice Core Project GRIP : Greenland Ice Core Project
2. Les facteurs de contrôle du climat terrestre : généralités
Les sources d'énergie du climat terrestre
Rayonnement solaire: 99,97 % Géothermie : 0,025 % Emissions GES anthropiques : 0,009 % Marées : 0,002 %
Le climat est induit par les différences thermiques s'établissant entre l'équateur et les pôles du fait de la rontodité de la Terre. Elles sont influencées par de très nombreux facteurs.
- La zone intertropicale reçoit plus d'énergie que les pôles
- Deux fluides (l'air et l'eau) sont mis en mouvement par le contraste thermique qui en résulte
- Leur mouvement respectif permet de redistribuer l'énergie entre l'équateur et les pôles et explique les principales caractériques du climat mondial
- De nombreux autres phénomènes interviennent
W/m²
Moyenne annuelle sur 21 ans (1983-2004)
La circulation atmosphérique joue un rôle majeur dans la re-distribution de la chaleur depuis l'équateur vers les pôles
Nouv. Caléd. et Réunion (21°S)
Terre Adélie (66 S)
Polynésie française (8-27 S) Mayotte (12 S)
ZCIT
Pôle 60° 30° Equateur
Métropole (41-50 N) St-P.&M (47 N)
Guyane (2-5 N)
Mart. (14 N) Guad. (16 N)
Sous l'équateur, les alizés génèrent des courants océaniques de surface, dont le gulf stream qui, soumis à la force de Coriolis, est dévié vers l'Atlantique du NE. Il contribue fortement à la douceur hivernale des côtes bretonnes
gulf stream
alizés
alizés
Le climat dépend de l'intensité de l'effet de serre
Sous l'effet du rayonnement solaire, la Terre émet des infrarouges (chaleur). Ces derniers excitent certains gaz de l'atmosphère qui, à leur tour réemettent de l'énergie en direction de la Terre. C'est l'effet de serre
origines naturelle et humaine
strictement artificiels
Plus il y a de gaz à effet de serre dans l'atmosphère, plus la Terre reçoit d'énergie
Les changements climatiques sur Terre obéissent à des facteurs exogènes, endogènes et mixtes
Les cycles solaires ont une période de 11 ans environ. Ils entraînent des modifications de l'activité solaire
Les impacts météoritiques les plus puissants modifient le climat terrestre et sa biodiversité
Les facteurs orbitaux jouent un rôle prépondérant dans les variations climatiques auxquelles la Terre a été soumise au cours du Quaternaire. Les facteurs géologiques interviennent également, souvent sur du très long terme.
obliquité
T = 41 000 ans
Les variations cycliques de l'orbite terrestre : obliquité, T = 41 000 ans ; précession, T=26 000 ans ; excentricité T =100 000 ans)
La tectonique des plaques qui intervient sur la position et la forme des océans et continents
Le magmatisme, de la simple éruption à la crise magmatique majeure (ex Trapps du Deccan)
La biodiversité fait partie des facteurs de contrôle. Elle joue un rôle majeur dans le stockage du carbone. Ce stockage s'exerce selon des cycles courts ou très longs (stockage des roches carbonées et carbonatées)
USGS, image courtesy of Steve Groom
Source : SeppFriedhuber/Getty Images
biodiversité et cycle du carbone
Crédit : Teo Tarras / Shutterstock
La biodiversité intervient aussi dans les processus pédogénétiques. L'altération bio-physico-chimique des roches émet ou consomme du dioxyde de carbone selon le type de roches concerné
Ces processus pédogénétiques s'exercent à une vitesse plus ou moins grande selon la température du sol, les précipitations (volumes, acidité) l'exposition aux agents météoriques, l'activité biologique, la présence d'eau stagnante...
source : https://www.maxicours.com/se/cours/l-alteration-des-roches-influence-des-facteurs-exogenes/
La biodiversité joue aussi sur l'albédo de la planète, au même titre que la glace et les océans
glaciers affectés par de la fusion
L'albédo varie en fonction des saisons, de l'occupation du sol, de la température, de la concentration en CO2...
déserts
forêts denses
glaciers
Source : https://www.star.nesdis.noaa.gov/jpss/albedo.php bibliographie : Wang, D., S. Liang, T. He, and Y. Yu (2013), Direct estimation of land surface albedo from VIIRS data: Algorithm improvement and preliminary validation, J. Geophys. Res. Atmos., 118, 12577-12586, doi: DOI: 10.1002/2013JD020417.
Naturellement, la Terre stocke du carbone dans des réservoirs dénommés "puits de carbone"
- rLa Terre stocke naturellement du carbone dans 4 réservoirs qui échangent entre eux
- Le carbone est stocké dans les océans, les sols, les forêts...et dans le sous-sol (carbonates et hydrocarbures)
- Elle stocke plus de carbone par an qu'elle n'en émet : 153,5 GtC contre 150 GtC
- Nous exploitons des ressources naturelles contenant du carbone parfois stocké depuis des centaines de millions d'années dans la lithosphère
- La captation naturelle du carbone du temps, beaucoup de temps
- Réémettre du carbone stocké est quasi-instantané à l'échelle géologique
Les facteurs de contrôle : zoom sur quelques facteurs clefs
03
3-1
L'irradiance solaire
L'irradiance solaire varie de manière cyclique selon un cycle de période moyenne de 11.2 ans et selon une amplitude très faible
Irradiance solaire totale
1368 1367 1366 1365 1364
source : Nasa
basé sur des proxies
W/m²
moyenne mobile 31 j moyenne mobile 365 j
Variation d'activité solaire de 2010 à 2020
éruption solaire
source Nasa
1975 1985 1995 2005
300 200 100 0
nombre de tache par an
1600 1700 1800 1900 2000
400 ans d'observation des taches solaires
Les variations de l'irradiance solaire contribuent ainsi de manière limitée aux variations climatiques observées actuellement
Facteurs
anthropique
naturel
forçage radiatif en W.m-²
source : David Saint-Martin et Olivier Boucher, année 2011
Les variations des forçages naturels, en incluant le volcanisme, n'expliquent pas les variations de la température atmosphérique actuellement observées
simulation avec forçage anthropique et naturel
+1.1°C en moyenne +1.6 °C sur les continents depuis 1850-1900 origine humaine sûre
simulation sans forçage anthropique
22 modèles globaux
source : Chiffres clés du climat, Datalab 2022
Les impacts des crises météoritiques et volcaniques sur le climat
3-2
Les impacts météoritiques majeurs modifient le climat et génèrent des extinctions biologiques
Pankhurst et al., 2021
100 80 60 40 20 0
indice d'abondance de feldspaths potassiques dans la couverture d'éjectas
Diamètre de l'impact météoritique en km
0 10 20 30 40 50
% extinction(genre)
limite Permo-Trias 252 Ma 50 à 60 °C sur les continents proxy = 18O conodontes
temps en Ma
-600 -500 -400 -300 -200 -100 0
indice d'abondance de feldspaths potassiques dans la couverture d'éjectas
250 200 150 100 50 0 -50 -100
Eocène
Popigaï Eocène (35.4 Ma)
extinction
Miocène moyen
Manicouagan fin Trias (214 Ma)
Intensité des modifications biologiques
Pliocène
fin du Trias
Chicxulub fin Crétacé (66 Ma)
fin du Jurassique
fin du Crétacé
Chesapeake Eocène (35.5 Ma)
Riess Miocène 14,6 Ma
0 20 40 60 80 100
Diamètre de l'impact en km
Pankhurst et al., 2021
- Les poussières atmosphériques d'origine minérale sont dominées par les argiles
- Si un astéroïde impacte des roches riches en feldspaths potassiques (un monzogranite par exemple), les concentrations de ce minéral peuvent fortement augmenter dans les aérosols
- Le feldspath potassique est un puissant aérosol générateur de glace
- La nucléation de glace joue un rôle important dans la microphysique des nuages, qui module l'albédo global.
- Le feldpath potassique réduit l'albédo moyen des nuages, ce qui conduit à un réchauffement du climat
- Les météorites ayant généré de volumineux éjectas riches en feldpaths potassiques auraient conduit à des extinctions biologiques majeures
source : maciejmatteo
cristaux de feldpath potassique dans un monzogranite
aérosols minéraux dominés par les poussières d'éjectas riches en feldpaths potassiques
aérosols minéraux dominés par des argiles (situation normale)
hiver d'impact (hypothèse)
impact météoritique
forte abondance fedspaths K
faible abondance feldspaths K
retour conditions initiales en mois
retour conditions initiales en 104 à 106 années
INP : ice nucleation particles
Pankhurst et al., 2021
Les éruptions volcaniques historiques
- Les éruptions volcaniques éjectent du soufre qui, après conversion en aérosols, entraîne un refroidissement du climat. Le SO2 a un fort pouvoir albédo.
- L'impact sur le climat des éruptions volcaniques historiques majeures est relativement bref, estimé à 3 ans max par dendochronologie
- La modélisation des effets de deux des plus grandes éruptions du dernier millénaire, celles du Samalas (1257) et du Tambora (1815), intervenues en Indonésie, a produit des résultats équivalents (influence s'étendant sur 2 à 3 ans).
- Les modèles ont conclu à un refroidissement moyen de l'hémisphère nord de 0.8 °C à 1.3°C pour les étés 1258 et 1816
- Les rétroactions générées par les éruptions volcaniques sont encore mal analysées
Le volcan Sarychev, dans les îles Kouryles (Russie), le 12 juin 2009. Source Nasa
Stoffel et al., 2015 Nature
https://www.parisot-castaignet.com/
Des éruptions volcaniques majeures : les trapps
extension trapps de Sibérie
Des volumes de lave considérables émis sur de très longues durées
- Les trapps de Sibérie : surface d'origine estimée à 7 millions de km² (Europe = 10 millions) pour un volume de basalte de l'ordre de 3 000 000 à 5 000 000 km3
- Ce magmatisme est interprété comme étant à l'origine de la plus grande extinction biologique. Elle s'est produite à la limite permo-triasique (-251 Ma). L'épisode magmatique aurait duré 1 MA
- Les trapps du Deccan (Inde), formés par du volcanisme basaltique s'étant produit à la limite entre le Mésozoïque et le Cénozoïque (-68 à - 60 Ma). La surface originelle de la province volcanique aurait été de 1,5 à 2 millions de km² pour un volume émis de 2 à 3 millions de km3.
- Ce magmatisme fut peut-être une conséquence de l'impact météoritique du Yucatan (Mexique, cratère Chicxulub). Une hypothèse similaire est évoquée pour le magmatisme à l'origine des trapps de Sibérie
source : https://evolution.berkeley.edu/evolibrary/article/massextinct_09
Trapps du Deccan (trapp = escalier en suédois)
Le rôle de la tectonique des plaques, indépendamment du magmatisme
1-3
La géodynamique terrestre modifie la position respective des continents et des océans sur Terre, ce qui influence le climat sur du très long terme
-66 Ma
-66 Ma
-66 Ma
Am Nord
Eurasie
Am Sud
Antarctique
Inde
pôle sud
Australie
Am Sud
source : https://dinosaurpictures.org
Collision de l'Inde et de l'Eurasie à partir de -50 Ma Altération des roches de l'Himalaya = consommation de CO2 = baisse de l'effet de serre
L'Isthme du Panama se forme à partir de -15 Ma environ. Les échanges entre le Pacifique et l'Atlantique s'interrompent sous l'équateur. La circulation océanique devient méridienne en Atlantique et favorise l'interconnexion des 2 pôles
Détachement de l'Australie puis de l'Amérique du Sud du continent Antarctique. Un courant océanique circum-antarctique se crée autour de - 40 Ma qui contribue à isoler et refroidir l'Antarctique
Le refroidissement induit par l'isolement de l'Antarctique au niveau du pôle sud
-50 MA
-90 MA
-120 Ma
Afrique du Sud
Afrique du Sud
Inde
Inde
Afrique du Sud
Am du Sud
Antarctique
Am du Sud
Australie
Am du Sud
Antarctique
Antarctique
Australie
Australie
mers
océans
source : https://dinosaurpictures.org
Afrique du Sud
actuel
-20 MA
-35 MA
Afrique du Sud
Afrique du Sud
Antarctique
Antarctique
Am du Sud
Antarctique
Am du Sud
Am du Sud
Australie
Australie
Australie
Le refroidissement induit par la fermeture de l'Isthme de Panama
-50 MA
-90 MA
-120 MA
Am du Nord
Am du Nord
Am du Nord
Am du Sud
Am du Sud
Am du Sud
source : https://dinosaurpictures.org
actuel
-35 MA
-20 MA
Am du Nord
Am du Nord
Am du Nord
Isthme de Panama
Am du Sud
Am du Sud
Am du Sud
La tectonique des plaques forme puis conduit à l'affleurement des roches silicatées dont l'altération consomme du CO2
pénétration centripète de l'altération
L'altération de certains minéraux silicatés contenus dans les roches magmatiques consomme du CO2
coeur maclé du plagioclase, indemne d'altération
la bordure sodique du plagioclase est moins altérable que son coeur calcique
minéral d'altération (argile néoformée)
réactions théoriques
La température sur Terre baisse très lentement depuis 50 millions d'années à un rythme d'environ -2,4 10-7°C par an. A l'entrée du Quaternaire (-2.58 Ma), la température sur Terre s'avère suffisamment froide pour permettre, sous l'influence des cycles de Milanković, l'expression d'alternances glaciaires / interglaciaires
époques géologiques
calotte polaire antarctique
inlandsis hémisphère N
collision Inde/Asie
isthme de Panama
courant circumpolaire
Temps en Ma
Du fait de la baisse de la température et par contraction thermique, le niveau marin a progressivement baissé tout au long du Cénozoïque (Tertiaire et Quaternaire)
passe sous-marine
dépôts de faluns à l'abri des îles
cote m niveau marin
archipel
Derniers 35 millions d'années
passe sous-marine
dépôts de faluns à l'abri des îles
plateforme marine de Lessay
continent
le trait de côte il y a 30 millions d'années
granite Lanhélin
vallée Rance
3.4
Les cycles de Milankovic
A l'entrée du Quaternaire (-2.58 Ma), la température sur Terre s'avère suffisamment froide pour permettre, sous l'influence des cycles de Milanković, l'expression d'alternances glaciaires / interglaciaires
époques géologiques
calotte polaire antarctique
inlandsis hémisphère N
collision Inde/Asie
isthme de Panama
courant circumpolaire
Temps en Ma
Les variations climatiques s'exercent à un rythme accéléré au cours du Quaternaire sous l'effet de l'alternance de périodes glaciaires et interglaciaires dont les effets s'expriment préférentiellement aux hautes latitudes
- Les cycles de Milankovic ne peuvent pas à eux seuls expliquer l'amplitude des variations climatiques survenant au cours du Quaternaire
- Il s'agirait d'éléments déclencheurs dont les effets seraient amplifiés par les boucles de rétroaction (albédo, biodiversité...)
Les variations climatiques déterminées par les cycles glaciaires/interglaciaires, bien que rapides à l'échelle des temps géologiques, s'exercent lentement comparativement aux variations induites par nos activités
+0,01°C par an
changement climatique d'origine anthropique
On s'est sorti du Petit âge glaciaire finalement
2023
-0,1 10-3°C/an
bascule vers la future glaciation
+0,3 10-3°C/an
Oui pour sombrer dans le Grand âge caniculaire
fin de la dernière glaciation
Le rôle de la circulation thermo-haline : exemple de l'AMOC
3-4
Les alizés qui soufflent d'Est en Ouest dans la zone intertropicale sont à l'origine de courants marins de surface
- La surface de la Tropical Warm Pool (ou Indo-Pacific Warm Pool) est passée de 22 millions de km² (moyenne 1900–1980) à 40 millions de km² (moyenne 1981–2018), sous l'effet du changement climatique.
- Cela affecte l'intensité des cyclones (ouragons, typhons) de même que le régime des pluies
gulf stream
alizés
alizés
Les alizés, les courants qu'ils génèrent et les pluies agissent aussi sur la salinité moyenne des eaux de surface des océans et des mers
L'AMOC (Atlantic meridional overturning circulation) est un courant qui transporte de la chaleur de l'hémisphère sud vers l'hémisphère nord
Gulf stream
AMOC
Evolution de la température terrestre de surface pendant la période 1993-2021
Source : S. Rahmstorf 2024
Le Gulf Stream réchauffe l'Europe du Nord-Ouest
Le Gulf stream (rouge-orangé, branche nord de l'AMOC) finit sa course en Atlantique nord où il donne naissance à un courant de retour profond, composé d'eau dense et froide
apport d'eau douce par fonte des glaces
augmentation de la densité de l'eau par refroidissement et congélation
moindre augmentation de la densité de l'eau
forte épaisseur de glace
eau dense plongeant vers les profondeurs de l'Atlantique
ralentissement du processus de downwelling
situation future
situation actuelle
source : skepticalscience.com
L'hypothèse la plus défavorable en hiver serait pour nous un fort ralentissement du Gulf stream induit par un réchauffement global de +2 °C
L'extension des inlandsis de l'hémisphère nord au cours du dernier optimum glaciaire, il y a 20 000 ans environ
- Le climat s'est-il avéré stable durant la glaciation du Würm (ou glaciation wisconsin, vistulienne ou weichsélienne selon les pays) ?
- Comment s'est passée la transition vers l'Holocène, l'interglaciaire actuel ?
- Quel intérêt d'étudier un épisode glaciaire pour mieux comprendre le climat actuel ou futur ?
Fenno-scandie
Laurentide
Atlantique
Les événements de Dansgaard-Oeschger
- d'importantes variations climatiques durant la glaciation au niveau du Groenland
- avec des hausses brutales (quelques degrés en quelques décennies) suivies d'une baisse graduelle.
- 25 événements dits de Dansgaard-Oeschger durant la dernière période glaciaire (-115 000 à -11 700 ans )
-36 -38 -40 -42 -44 -46
-32 -36 -40 -44
Holocène
Weichsélien (Würm)
Eémien
δ18O pour mille
Groenland
0 -40 000 -80 000 -120 000 ans
-30 000 -40 000 -50 000
Evolution du rapport isotopique δ18O dans les carottes de glace NGRIP et GRIP au Groenland
δ18O est un marqueur de la température
Les événements de Heinrich et de Dansgaard-Oeschger
- des débâcles massives d'icebergs dans l'Atlantique nord issus des inlandsis nord-américain (laurentidien) et nord-européen (fennoscandien), à l'origine de dépôts sédimentaires océaniques découverts par carottage
- précèdent les événements Dansgaard-Oeschger
AIM : Antarctic Isotope Maximum GS : Greenland Stadial (froid) HS : Heinrich Stadial
majeur origine laurentide
majeur origine fenno-scandienne
mineur
L'AMOC, une boucle de rétroaction qui nous concerne au premier chef
Blocs glaciels Pointe du Hoc
source : L. Duchoiselle
T°C
Avant les événements de Heinrich, le retournement du gulf stream intervient au Sud de l'Islande
La débâcle permet l'incursion du Gulf stream en Atlantique nord, ce qui détermine un réchauffement brutal du Groenland Isovaleur d'augmentation de la température en rouge (°C)
La débâcle affaiblit l'AMOC, ce qui génère un refroidissement lent de l'hémisphère nord et un réchauffement de l'hémisphère sud
Source : Modèle Ganopolski and Rahmstorf (2002)
Simulation d'évolution de la température de l'air en surface (A) et des précipitations (B) pour un doublement de la concentration en CO2 et la rupture de l'AMOC (Atlantic Meridional Overturning Circulation)
Tendance d'évolution de la température (A) et de la salinité (B) des océans de 1993 à 2021
Gulf stream
Source : S. Rahmstorf 2024 Liu et al. ,2017
AMOC
credit: N. Penny Holliday, © National Oceanography Centre, 2020,
Lien entre géologie et climat en Armorique
Le temps géologique, quelques repères
En Armorique, les premiers témoins géologiques datent de 2 milliards d'années. Cet âge est obtenu par analyse des concentrations en 207Pb, 206Pb, 235U et 238 U de certains minéraux (les zircons).
Les zircons sont des minéraux quasi-inaltérables qui ont enregistré au cours de leur vie les différents événements qui les ont affectés. Les éléments radiogéniques qu'ils contiennent permettent de dater les roches.
La Hague
Les témoins icartiens (2 milliards d'années) se localisent dans la partie nord de l'Armorique
Guernesey
Ils sont incorporés dans des gneiss datés du Cadomien
Le Penthièvre
La chaîne cadomienne s'est formée à la fin des temps précambriens, entre -640 Ma à -540 Ma
Cadomus : référence au nom latin de Caen
La chaîne cadomienne armoricaine
arc insulaire
Comment fait-on pour reconstituer cette histoire ?
bassin intra-arc
Terrain Sédimentologie Tectonique Géochimie des magmas Bibliographie Comparaison des caractéristiques du magmatisme local avec celui émis dans des contextes actuels bien connus
arc insulaire
bassin arrière arc
restructuration varisque
Similitude forte avec l'arc insulaire Vanuatu ou des Tonga / Kermadec
Les déformations et magmatismes cadomiens
paragneiss en début de fusion
Les sédiments océaniques sont peu déformés dans la croûte supérieure
granodiorite issue de la fusion des sédiments de la partie profonde du bassin arrière-arc. En remontant, le magma a arraché des fragments de roches métamorphiques
sauf lorsqu'ils ont été écrasés en bordure d'un granite
migmatites ((sédiments en début de fusion)
Au fur et à mesure de l’érosion des reliefs cadomiens, après l'orogenèse, l’énergie disponible pour le transport des sédiments baisse car la pente des torrents et fleuves s'estompe. Les premiers sédiments formés sont très grossiers (photo 1), blocs et galets de plusieurs décimètres de longueur. Les très gros galets laissent progressivement la place à de petits galets (photo 2), à des graviers puis à des sables. La pénéplanation continue alors que la mer cambrienne commence à envahir les zones basses de la Normandie occidentale. Les sédiments marins du Cambrien contiennent des stromatolithes. A l'issue de l'orogenèse cadomienne, la mer reconquiert la Bretagne à partir de l'Ordovicien.
Les dépôts fluviatiles du Cambrien basal de Normandie
La couleur de la roche est liée à la présence d'oxydes de fer (goethite, oligiste) formés en milieu continental sous un climat probablement chaud et humide
Reconstitution de la position de la plaque armoricaine au cours du Paléozoïque
pôle sud
climat chaud
465 Ma minerai fer normand
climat chaud
D’après Le Gall et al. 2003
coraux du Dévonien
prélèvements pour des mesures de paléomagnétisme
l'Hirnantien -445 MA glaciation
climat froid
L'Armorique cadomienne est fortement remodelée par la déformation varisque. La couverture paléozoïque est impliquée dans une déformation plicative dont l'intensité varie beaucoup dans l'espace
relief (MNT IGN)
carte géologique Cherbourg
pli en presqu'île de Crozon (crozon.com) (
L'Armorique varisque : trois blocs séparés par deux linéaments (faisceaux de failles)
bloc nord-armoricain
linéament centre-armoricain
bloc centre-armoricain
linéament sud-armoricain
bloc sud-armoricain
Une compression s'exerçant en direction NNE/SSW
bloc cadomien avec arcs insulaires, bassins avant et arrière arc structurés en direction NW/SE avant la compression varisque
Phase 1
déformation selon des plis de direction WNW-ESE
rejeu des failles en senestro-inverse avec formations de plis
sédiments paléozoïques éloignés des failles cadomiennes et non déformés avant l'orogenèse varisque
Une compression s'exerçant en direction NNE/SSW
Rennes
Saint-Malo
socle cadomien (-2 milliards à - 540 Ma) déformation principale intervenur entre -585 Ma et -540 Ma
couverture sédimentaire paléozoïque (-540 à -360 Ma) Cambrien au Dévonien Au Carbonifère, les bassins sédimentaires se forment sous compression varisque (-360 à - 300 Ma)
Phase 2
Transposition du socle cadomien en direction varisque
Une compression s'exerçant en direction NNE/SSW
Poursuite du rejeu en senestro-inverse des failles là où elles conservent leur orientation originelle
accentuation de la structuration WNW-ESE avec déformation progressive des failles et des plis ENE-WSW
Une compression s'exerçant en direction NNE/SSW
La Dioritique de Coutances (jaune orangé), de direction originelle ENE/WSW, est déformée par des plis de direction WNW/ESE. Cette roche s'est mise en place dans un contexte d'arc insulaire et a été datée de -585 Ma. Elle trouve son équivalent en Bretagne, à Fort-la-Latte
Une compression s'exerçant en direction NNE/SSW
Phase 3
déformation des plis, failles et chevauchements N110 par les failles senestro-inverses et senestres
Transposition par rotation des blocs cadomiens sous le jeu de failles senestres (N10 à N30) et senestro-inverses (N50 à N70) et de chevauchements de direction N110.
Une compression s'exerçant en direction NNE/SSW
Une compression s'exerçant en direction NNE/SSW
Phase 4 en zone fragile
apparition de failles décrochevauchantes dextro-inverses associés à des voussures
Rupture des failles senestro-inverses N50-N70 avec apparition de décrochements parallèles à la compression
Une compression s'exerçant en direction NNE/SSW
Une compression s'exerçant en direction NNE/SSW
Schéma structural interprétatif (hypothèse personnelle) vers -340 Ma
transposition partielle de la chaîne cadomienne au front d'une nappe 1 (flèches violettes) de vergence nord
Léon
sédiments
au
de
dépôt
Carbonifère
inférieur
avec
magmatisme
chevauchement vers le Nord
associé
Sous l'action de la compression varisque, un bassin sédimentaire syntectonique se crée au front d'une nappe 2 progressant vers le Nord
Une compression s'exerçant en direction NNE/SSW
Une compression s'exerçant en direction NNE/SSW
Schéma structural interprétatif (hypothèse personnelle) vers -320 Ma
Léon
des
sédiments
déformation
déposés
au
Carbonifère
Des nappes ou des chevauchements de vergence nord se superposent en se déplaçant vers le Nord
inférieur
Une compression s'exerçant en direction NNE/SSW
coulissage résistance faille N 150
Structuration varisque de la zone médio-armoricaine : schéma interprétatif
écrasement avec transposition de l'arc insulaire de Coutances et du bassin avant-arc
transposition partielle du bassin arrière arc (Mancellia)
coulissage senestro-inverse sur failles du bloc médio ou nord-cadomien
coulissage dextro-inverse par frottement sur province volcanique cambrienne du Maine
déplacement général vers le NNE de la couverture paléozoïque et d'une partie du bassin arrière-arc cadomien (sédiments briovériens)
Sous l'effet de l'épaississement crustal, la croûte fond localement au même titre que le manteau, générant du magmatisme qui s'introduit le long des failles majeures
localisation des bassins houillers armoricains
La fin de l'orogenèse varisque
- La chaîne varisque amorce son effondrement, puis son démantèlement au Carbonifère, vers -310 à - 300 Ma.
- L'Armorique est alors sous l'équateur ; son climat est chaud et humide.
- La végétation est abondante
- C'est la grande période de formation des bassins houillers qui s'étendent jusqu'en Chine
Les montagnes varisques sont presque entièrement démantelées par l'érosion et la mer pénètre dans les zones basses qui bordent les reliefs de l'Armorique, des Ardennes et du Massif central
Il y a 200 millions d'années (début du Jurassique)
échelles verticale et horizontale différentes
Amérique du Nord
Thétys
La mer des Sargasses en deux coups de nageoire, le pied !
Afrique
Amérique du Sud
Et sans obstacles hydrauliques ! Trop cool !
Inde
Australie
Antarctique
Dans les fonds marins et le long des plages jurassiques, des couches de sédiments viennent se déposer sur les roches des massifs anciens fortement déformées. Quelques îles varisques demeurent émergées, bordées d'archipels et de hauts fonds. La mer du Jurassique n'a a priori recouvert que partiellement l'Armorique.
calcaires horizontaux
schistes et grès verticaux
L'existence de paléo-reliefs armoricains dans la région de Caen
Les sédiments marins qui se déposent pendant le Jurassique sont principalement marneux et calcaires
- Les sables calcaires se déposent dans les milieux agités, soumis à l'action des houles, en bordure de l'Armorique îlienne
- Les marnes se forment dans des milieux peu agités, là où les argiles peuvent décanter, plus au coeur du Bassin parisien
calcaires bathoniens
marnes bathoniennes
calcaires bathoniens
marnes bathoniennes
marnes bathoniennes (détail)
calcaires bajociens
source : lithothèque de Normandie
Une mer peu profonde, parsemenée d'îles, bordant une Bretagne en partie émergée. Des écosystèmes dans lesquels vivent des dinosaures, des ammonites...les ancêtres des crocodiles
Il y a 170 millions d'années (milieu du Jurassique)
1 km
échelles verticale et horizontale différentes
Amérique du Nord
Afrique
Thétys
On m'a dit que Jurassic park a été tourné en Normandie
Amérique du Sud
Inde
Australie
Antarctique
L'Atlantique nord commence à s'ouvrir. La péninsule ibérique se sépare de l'Armorique. Une importante altération sous climat tropical humide s'instaure.
Il y a 145 millions d'années (début du Crétacé)
Amérique du Nord
- Il en résulte une légère déformation du bassin parisien et son exondation temporaire
- Les terrains jurassiques exondés sont soumis à l'altération et l'érosion
- Une fois les nouveaux reliefs aplanis, la mer revient au Crétacé déposer de nouveaux sédiments
Afrique
Amérique du Sud
Est-ce que le rift a généré du magmatisme en Bretagne ?
Antarctique Inde Australie
- La mer revient par le Sud mais aussi par le Nord (bassin anglo-parisien)
- Elle va déposer dans un premier temps des argiles puis des sables dans un couloir s'étendant de part et d'autre de la Seine
- Cette mer est bordée par l'Armorique et les Ardennes en partie émergées
- Le niveau marin va monter tout au long du Crétacé et atteindre une cote située 150 m au dessus du niveau marin actuel
- Il est vraisemblable que la Bretagne soit restée en grande partie émergée durant le Crétacé
- Des sédiments crayeux vont se déposer dans la mer durant une grande partie du Crétacé
La mer revient petit à petit au Crétacé
trait
côte
trait
de
côte
trait de côte
de
trait de côte
La mer s'est étendue sur une grande partie de l'Europe tout au long du Crétacé. De grandes quantités de boues calcaires se sont déposées sur les fonds marins. En se consolidant, ces boues vont former de la craie.
Il y a 86 millions d'années (Fin du Crétacé -Campanien et Santonien)
Amérique du Nord
Afrique
Amérique du Sud
La mer des Sargassess'éloigne de l'Armoriquede 2 à 3 cm / an
Inde
Australie
Antarctique
Mais c'est quoi la craie ?
La craie est essentiellement formée d'une accumulation de squelettes calcaires d'algues planctoniques microscopiques
Mais c'est tout petit !
2 µm
Un coccolithophoridé entier vu au microscope
Combien de coccolithes a-t-on dans un m3 de craie ?
Beaucoup plus qu'on ne le pense je crois
Plus que de silex à mon avis
la craie : de la purée de coccolithes pris dans un ciment calcaire
Efflorescence algale en mer de la Manche (= un bloom planctonique)
Que du plancton ou presque, mais comment c'est possible !
Cornouailles (GB)
Mer de la Manche
bloom planctonique
Flamanville
Des espèces de coccolithophoridés sont encore présentes en Manche de nos jours mais la plupart d'entre elles ont disparu à la fin du Crétacé
Les organismes marins participent encore aujourd'hui à la fabrication de sédiments carbonatés sur nos côtes et en mer : vases, tangues, sables coquilliers... Ils piègent d'ailleurs du carbone. Beaucoup de carbone !
Et pourquoi des alternances régulières entre bancs de craie et bancs de silex ?
- Les alternances craie/silex semblent liées aux variations d'oxygénation des sédiments déposés sur les fonds marins
- L'oxygénation va varier selon l'activité biologique, la température et l'épaisseur du sédiment
- La température marine évolue de manière cyclique dans le milieu marin
- Les variations de l'orbite terrestre, cycliques également, jouent sur la température des océans
- C'est un des paramètres évoqués pour expliquer les alternances craie / silex
Les variations cycliques de l'orbite terrestre : obliquité, T = 41 000 ans ; précession, T=26 000 ans ; excentricité T =100 000 ans)
obliquité
T = 41 000 ans
Les Alpes commencent à se former ce qui entraîne une déformation progressive de l'Armorique et de ses bordures. Sous un climat chaud et humide, les roches précédemment formées vont s'altérer et subir une érosion en surface
Il y a 45 millions d'années (Eocène moyen)
Amérique du Nord
Afrique
Inde
Amérique du Sud
Australie
Antarctique
Le Tertiaire : un climat chaud et humide favorable à l'altération des rochesLes couvertures d'altérites formées pendant cette période sont encore présentes un peu partout en Armorique et sur ses bordures
Sous climat chaud et humide, la craie subit une dissolution progressive de ses composés calcaires (les coccolithes). Ses autres constituants (des argiles et des silex) sont peu solubles dans l'eau. Ils s'accumulent sur de grandes épaisseurs en surface, au fur et à mesure que l'altération intervient
Les altérites du socle armoricain
- Les allotérites sont des altérites caractérisées par une réduction de volume par rapport à la roche mère. La texture originale n'est plus reconnaissable. Jusqu'à une dizaine de mètres d'épaisseur
- Les isaltérites peuvent faire plusieurs dizaines de mètres d'épaisseur. La texture est préservée mais de nombreux minéraux ont été transformés
- zone fissurée. La fissuration résulte de l’éclatement de la roche sous l’effet des contraintes générées par les changements de phase minéralogique, principalement l’hydratation de la biotite, qui se transforme en augmentant de volume en chlorite, puis vermiculite, et enfin en minéraux argileux.
Formées au cours du Crétacé inférieur et du Tertiaire
source : R.Wyns, 1998 et 2004
L'altération des micas, des feldspaths, des hornblendes produit des minéraux argileux
biotite
chlorite (altération ou métamorphisme basse température)
biotite K(Mg,Fe)3(OH,F)2(Si3AlO10)
chlorite (Mg,Fe)3(Si,Al)4O10(OH)2·(Mg,Fe)3(OH)6
C'est une réaction d'hydrolyse (compter les OH)
L'altération des plagioclases
- Dans un magma, le calcium est intégré plus tôt dans la trame cristalline des plagioclases que ne l'est le sodium. Le magma s'appauvrit donc progressivement en calcium tandis qu'il s'enrichit en sodium. Faute de calcium, le plagioclase termine sa croissance en intégrant le sodium.
- De ce fait, les plagioclases sont souvent zonés, c'est à dire qu'ils présentent des strates de croissance de plus en plus riches en sodium vers l'extérieur ce qui leur confère des caractéristiques optiques indentifiables au microscope.
strates de croissance
coeur enrichi en calcium, en cours d'altération (apparition de séricite)
bordure cristalline riche en sodium, non altérée
L'altération débute par le coeur calcique, plus sensible aux réactions d'hydrolyse
Quelques exemples de l'altération en climat tropical humide en Bretagne
filon de microdiorite saine
filon de dolérite altéré
filon de diorite
Pierre de Logonna (microdiorite altérée)
source : Nerijp
source Romain Cadiou
Les sols latéritiques de la Bretagne du Cénozoïque
Différents types de ferricrete - source Acervo próprio
Le Tertiaire, c'est aussi l'amorce des réseaux fluviatiles actuels par incision progressive des vallées.
Les incisions successives font que des alluvions anciennes peuvent avoir été conservées à des cotes altimétriques très supérieures à celle du lit mineur actuel du cours d'eau
alluvionnement
Un exemple de terrasses alluviales en Himalaya
alluvions les plus anciennes
incision
alluvions les plus anciennes
alluvionnement
alluvions les plus récentes
incision
Source - © 2021 Pierre Thomas
Le Tertiaire est également une période de lent refroidissement de l'atmosphère. L'entrée dans le Quaternaire (-2.58 Ma) est marquée par le début des alternances glaciaires / interglaciaires
époques géologiques
calotte polaire antarctique
inlandsis hémisphère N
collision Inde/Asie
isthme de Panama
courant circumpolaire
Temps en Ma
Au Miocène, le niveau marin encore très élevé permet le dépôt de faluns dans la future vallée de la Rance mais aussi dans le bassin de Rennes
la mer des faluns
cote niveau marin
Derniers 35 millions d'années
vallée Rance
les faluns : un calcaire mal consolidé, grossier et riche en fossiles (bryozoaires, balanes, oursins...), formé dans une mer chaude (20°C)
Le trait de côte d'il y a 30 millions d'années (en bleu la mer)
Le Quaternaire est une succession de périodes glaciaires entrecoupées de courts épisodes interglaciaires
- Le climat armoricain est périglaciaire pendant les glaciations
- Les inlandsis sont situés plus au Nord, en Scandinavie et au Royaume Uni, et s'étendent au paroxysme jusqu'à la Tamise
- La Manche est une dépression vers laquelle confluent la Seine, la Somme et leurs affluents mais aussi à certaines périodes la Tamise, le Rhin, la Meuse, l'Elbe...
Il y a 20 000 ans, au paroxysme de la dernière glaciation, la Bretagne dispose d'un climat périglaciaire
Pendant les glaciations du Quaternaire, les glaciers descendent jusque dans le Sud de l'Angleterre mais jamais en Normandie ou en Bretagne
Amérique du Nord
Inde
Afrique
Amérique du Sud
Australie
Antarctique
En début de glaciation, le climat est froid et humide en Bretagne. Ce climat s'avère favorable à la gélifraction des roches situées proches de la surface, sur quelques mètres. L'été, l'eau s'infiltre dans ces roches avant de les faire éclater l'hiver, quand elle passe à l'état solide (glace) et que son volume augmente.
Au fur et à mesure qu'interviennent les alternances de gel et dégel, l'eau pénètre de plus en plus profondément dans la roche, générant une altération dite en "coin de glace"
Un exemple de l'action du gel et du dégel (gélifraction) sur une dalle de grès
Exemple de l'action de la gélifraction sur des calcaires, craies et argiles à silex en Normandie
calcaire presque pulvérulent
silex fragmentés
désagrégation progressive de la roche
bancs calcaires encore visibles
craie gélifractée
En climat périglaciaire, les sols sont amenés à dégeler en surface durant l'été, déterminant l'apparition d'un mollisol (sol mou). En présence de pente, sous l'action de la gravité, ce sol mou flue vers le bas. Des fragments de roches gélifractées viennent s'accumuler en bas de pente créant des couches dites de colluvions
colluvions riches en silex
colluvions riches en calcaire
En fin de glaciation, le climat est plus froid et sec. La Bretagne est un paysage de steppes parcourues par des vents puissants, transportant des particules fines qui viennent s'accumuler sur les plateaux ou les points bas pour former les limons.
Ben dis donc, c'est super complexe notre histoire géologique. Moi qui pensais qu'on n'avait que du caillousous nos pieds
limons (loess)
toundra, désert polaire steppe loess (dépôts éoliens) loess sableux
Le Nord de la France il y a 20 000 ans
GLACIERS
© Aurélie Boissière/Tallandier/Inrap
Les variations de la température déterminent celles du niveau marin. Le niveau marin baisse d'environ 120 m pendant les glaciations pour remonter pendant les périodes interglaciaires
Suite à la dernière glaciation, le remplissage de la Manche a commencé autour de - 15 000 ans
- Lorsque la transgression marine est rapide, la côte n'a pas la possibilité de se construire
- Ce fut le cas entre - 15 000 et - 6000 ans
- La mer drosse de plus en plus loin à l'intérieur des terres, à des cotes altimétriques de plus en plus élevées, des sédiments anciens
- Depuis 5000 ans, le niveau marin monte très lentement
- Les structures sédimentaires ont le temps de se former, sous l'action des courants de marée, de houle et la reprise éolienne des sables fins
- La sédimentation biogène contribue à la construction des stocks sédimentaires disponibles dans la zone intertidale, subtidale ou infratidale
La transgression marine de l'Holocène
source : Robert A. Rohde
Les sédiments sont transportés vers les côtes par les courants marins
sédiments drossés à la côte
altimétrie
Cap de Cartert (50)
roches affleurantes(courants marins trop puissants pour que des sédiments se déposent)
courant dominant
Source : Litto3D
Une relation mer / terre modifiée par les aménagements humains
source : Xavier Lachenaud
altimétrie
havre de Géfosses
Source : Litto3D
Et le sol dans tout cela ?
- Les sols constituent un des écosystèmes les plus stratégiques pour l'humanité
- Leur formation a débuté à l'issue de la dernière glaciation, lorsque la hausse des températures a favorisé la réactivation des communautés microbiologiques vivant en surface.
- Il se forment extrêmement lentement, à un rythme maximal de 0.1 mm par an. Ce rythme s'approche de celui de l'érosion actuelle des terres agricoles.
- Ce sont des ressources fossiles, prenons en conscience. Il n'y a pas de plan B avec les sols.
sol
limons
colluvions de pente
Stratégiques mais peu connus, c'est paradoxal
- L'épaisseur des sols et leurs fonctionnalités peuvent varier très rapidement dans l'espace.
- On connaît en général leur valeur agronomique mais on ignore souvent l'importance des autres services qu'ils nous rendent
- Epuration, recyclage de nutriments, stockage du carbone, réservoir en eau, socle des écosystèmes continentaux...autant de fonctionnalités très mal connues
J'sais pas. J'dirais 2 ou 3 mètres
Y'a quelle épaisseur de sol chez toi ?
Tiens, le sol repose directement sur la craie gélifractée
Les sols fixent du carbone. Ils sont un de nos alliés dans la lutte contre le dérèglement climatique
sol forestier très riche en matière organique
zone d'altération de la craie
J'ai pas l'impression qu'il y ait beaucoup de carbone stocké dans les sols limoneux
craie
Une fosse pédologique dans un milieu peu anthropisé
C'est normal, ils sont en cours d'érosion
Certaines communautés bactériennes vivant dans les sols gorgés d'eau utilisent les nitrates dans leur métabolisme. Elles permettent ainsi de limiter les concentrations de ce polluant dans les eaux souterraines et superficielles
zone aérobie bactéries utilisent l'oxygène de l'air
aérobie/anaérobie selon la saison
zone anaérobie bactéries utilisent l'oxygène des nitrates