THEME 1:
LES VARIATIONS DU CLIMAT ET
LES VARIATIONS DU NIVEAU MOYEN DES MERS

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LES VARIATIONS DU NIVEAU DES MERS

On constate aujourd'hui de nombreux signes révélateurs d'un réchauffement climatique du globe qui pourrait être lourd de conséquences, notamment en ce qui concerne les variations du niveau des mers.
Dans la perspective d'une prévention de ce type de risque, tournons-nous une nouvelle fois vers le passé afin de comprendre l'origine de ces variations et envisager dans quelles proportions le niveau marin est susceptible de changer.
Car là encore, il est nécessaire de prendre en compte la dimension temporelle: les facteurs responsables ne sont en effet pas les mêmes selon l'échelle de temps considérée.

Thèmes traités et activités pédagogiques (durée: 2 semaines):
Les variations récentes à l'échelle des temps géologiques
Les variations anciennes
Les causes des variations du niveau des mers
Modélisation future du niveau des mers

1 Les variations récentes à l'échelle des temps géologiques

1.1 LES TRACES D'ACTIVITES HUMAINES

1.1.1 La découverte de la grotte Cosquer en 1985 et celle de ses gravures et peintures en 1991

"Entre Marseille et Cassis, les massifs de Marseilleveyre, du Puget, de la Gardiole plongent dans la mer. La côte très découpée abrite de nombreuses calanques. C'est dans ce littoral aux échancrures nombreuses que se situe la grotte découverte par Henri Cosquer..."

1.1.2 Les missions scientifiques de 1992-1994 et les témoignages de l'occupation humaine :

"La grotte Cosquer offre une palette d'animaux terrestres d'une grande richesse. L'identification de chaque représentation a demandé un travail minutieux ..."
1.1.3 Le résultat des datations au 14C

La grotte Cosquer est aujourd'hui l'un des sites les mieux datés au monde: la datation au 14C, effectué sur 22 prélèvements de charbon de bois utilisé pour réaliser les peintures, révèle deux faciès culturels différents correspondant à l'occupation de la grotte au Paléolithique:

La culture gravétienne (-27 000 à -20 000 ans)

La culture solutréenne (-20 000 à -15 000 ans)


Etant donnée la position actuelle de la grotte, quelle hypothèse faut-il envisager pour expliquer les traces d'occupation humaine dans la grotte Cosquer? Les espèces animales représentées sont-elles toutes adaptées au climat actuel de type méditerranéen? Quelle représentation constitue une originalité permettant de se faire une idée du climat au Paléolithique récent?

1.2 L'ETUDE DES PALEORIVAGES

1.2.1 Les traces d'anciennes plages révélées par les profils sismiques et le carottage:
Les rivages ont une morphologie particulière: les sédiments qui s'accumulent forment un talus. De telles formations ont pu être révélées par des profils sismiques comme celui qui est représenté ci-dessous au large de la grotte Cosquer.


Des carottages permettent de mettre en évidence: vers le haut: des éléments fins constitués d'oursins et de débris de moules, des sables graveleux avec débris de moules, plus bas: des galets centimétriques.

1.2.2 Les encoches d'anciens pieds de falaises:
L'action érosive de la mer, par ses mouvements de va-et-vient, use et façonne les pieds de falaises en créant des encoches et en formant des surplombs. En cas d'augmentation du niveau marin, ces structures se retrouvent immergées et il est possible de les mettre en évidence par plongée.

1.2.3 Les lignes de paléorivages autour de la grotte Cosquer
Ces explorations ont ainsi permis de mettre en évidence au large de la grotte Cosquer (Phare de Planier) trois lignes de paléorivages: à -50m de profondeur: le PR 50 daté de -8 500 ans, à -90 m de profondeur, le PR 90 daté de -11 700 ans, à -100m de profondeur, le PR 100 daté de -13 850 ans, le bord des canyons, à -130 m, débouche sur les grands fonds (-20 000 ans).
On trouve ces paléorivages en différents endroits de la Méditerranée: en effet de très nombreuses plongées révèlent que plusieurs encoches ou surplombs sous-marins se trouvent à la même profondeur dans la plupart des falaises, qui correspondent à des paliers successifs dans la montée des eaux: à -7m (-4 000 ans) à -25m (-5 800 ans) à -36m (-7 000 ans): celui de la grotte Cosquer (daté grâce à des encroûtements calcaires d'algues et de coraux à l'entrée de la grotte).

... et si Platon avait redécouvert l'Atlantide?


A partir des données fournies vous reconstituerez les variations du niveau de la mer autour de la grotte Cosquer depuis -20000 ans, en réalisant un graphique (niveau de la mer en ordonnée, temps en abscisse).
Calculez en cm par siècle, la montée des eaux.

1.3 L'ETUDE DES RECIFS FOSSILES

1.3.1 Les conditions de vie exigeantes dans les récifs coralliens
Les récifs coralliens sont des écosystèmes complexes. Apparus il y a 2,5 milliards d'années, sous des formes plus simples que celles d'aujourd'hui, ils sont situés entre les tropiques du Cancer et du Capricorne. Après des destructions et des reconstructions, les récifs actuels se sont stabilisés depuis 50 millions d'années: ce sont des assemblages de coraux morts et vivants.

A l'aide des informations du document:
http://www.inrp.fr/Acces/biotic/environ/paleoclimats/html/reefecol.htm
vous rappellerez les exigences écologiques des récifs coralliens.

Pour la suite des investigations, vous appliquerez le principe d'actualisme.


1.3.2 L'exploitation des forages réalisés dans les récifs coralliens: l'étude d'un récif corallien de Tahiti
Les coraux permettent la reconstitution des paléoenvironnements et mettent en évidence des variations du niveau marin.


Après avoir analysé les documents proposés vous essaierez de résoudre les problèmes suivants:
Comment expliquer la présence de coraux fossiles à des profondeurs incompatibles avec leurs exigences écologiques?
En vous servant de la colonne stratigraphique déduite de l'analyse de forages dans un récif de Tahiti, vous construirez, sur un graphe, la courbe de croissance verticale du récif et à l'aide du document "zonation des associations algo-coralliennes" vous comprendrez la manière dont les géologues peuvent reconstituer les variations du niveau des mers.
Vous trouverez un corrigé de ces travaux en cliquant sur l'icône ci-contre.


En étudiant la répartition de leurs homologues actuels sur le récif, on a pu déterminer le paléoenvironnement des organismes fossiles de la colonne stratigraphique. Les associations algo-coralliennes renseignent avec précision sur les profondeurs auxquelles vivaient les organismes constructeurs. Il est donc possible de construire la courbe de remontée du niveau marin à partir de la courbe de croissance du récif en tenant compte des données paléobathymétriques établies précédemment.


La remontée du niveau marin est-elle régulière? Quel phénomène constatez-vous notamment vers -14 000 ans BP?
Pouvez-vous associer ce phénomène à une modification constatée sur la colonne stratigraphique?


Nous allons essayer de voir si les variations du niveau marin déduites de l'étude des forages de Tahiti sont confirmées par d'autres marqueurs géologiques éloignés de ceux-ci.


Tirez une conclusion de l'observation de la courbe de la Barbade confrontée à celle de Tahiti. la corrélation peut-elle se faire pour toutes les périodes?

2 Les variations anciennes du niveau des mers

2.1 L'ENREGISTREMENT DES ROCHES SEDIMENTAIRES

2.1.1 Un exemple: le Crétacé du Pays de Caux
L'Université du Havre (Académie de Rouen) met en ligne un portail "Patrimoine naturel du pays de Caux et de l'estuaire de la Seine" sur lequel vous pourrez vous documenter sur cette période géologique de l'ère secondaire et notamment les formations sédimentaires crayeuses.

2.1.2 Les indices paléontologiques et géochimiques indiquant la profondeur relative de l'eau


Qu'apporte la présence de poudingue ferrugineux, de craie dans la série sédimentaire en terme de profondeur relative d'eau. Expliquez le fait que la craie surmonte les poudingues.
Appréciez la vitesse de sédimentation moyenne (cm/1000 ans) dans le Crétacé du Pays de Caux.

2.2 L'ENREGISTREMENT DES SERIES SEDIMENTAIRES

2.2.1 L'étude verticale des séries sédimentaires: transgression et régression marines

Le plateau continental est le lieu où les éléments détritiques apportés par les fleuves ou le vent se déposent par gravité: les plus gros près du rivage, les plus fins sont transportés plus loin, les sédiments carbonatés se déposent sur la marge continentale. Il y a granoclassement horizontal.
L'extension des différentes roches sédimentaires est fonction de la quantité d'apports détritiques et la profondeur du bassin de sédimentation. Cette extension va ainsi varier avec les mouvements d'avancée (transgression) ou de recul (régression) de la mer.
La séquence verticale des roches rencontrées lors d'un forage (granoclassement vertical) va donc changer selon qu'elle a enregistré une phase transgressive (séquence positive) ou régressive (séquence négative).


2.2.2 L'étude horizontale des séries sédimentaires: l'ampleur des mouvements de la mer

En France, le Crétacé supérieur a été marqué par une transgression d'une très grande ampleur, puisque la mer s'est étendue sur la quasi-totalité du territoire comme le montrent les deux cartes ci-contre.


Sur une carte géologique du Bassin Parisien, montrez quels sont les éléments qui permettent d'établir des cartes paléogéographiques comme celles ci-dessus.

2.3 L'AMPLEUR DES VARIATIONS AU CRETACE SUPERIEUR

Il est par ailleurs intéressant de replacer la transgression du Crétacé dans l'histoire géologique de la Terre.



On trouvera des renseignements intéressants concernant le Crétacé sur le site "http://www.scotese.com" notamment dans les rubriques "Earth history" et "Animations".


Délimitez le Crétacé dans le document ci-dessus et dites dans quel contexte géologique se situe la transgression du Crétacé Supérieur.

3 Les causes des variations du niveau des mers

3.1 CORRELATIONS ENTRE CONDITIONS CLIMATIQUES ET VARIATIONS DU NIVEAU DES MERS

Le niveau marin depuis 20 000 ans enregistré par les coraux (dossier du CNRS)
La fonte des calottes glaciaires continentales lors de la dernière déglaciation a provoqué une remontée du niveau marin global d'environ 120 mètres. La connaissance précise de la chronologie des événements de cette période permet de comprendre la dynamique du climat et les interactions complexes du système couplé océan-atmosphère-cryosphère. C'est grâce à l'étude des coraux que les chercheurs peuvent avoir accès à cette connaissance de façon particulièrement précise.

Analysez la chronologie des événements climatiques enregistrés par les glaces du Groenland (forage GRIP): que constatez-vous après environ -15 000 ans B.P.? après - 14 000 ans B.P.?

Analysez à présent les événements enregistrés par les coraux de la Barbade: caractérisez l'événement MWP-1a.
Situez-le très exactement dans l'échelle des temps de cette période du paléolithique supérieur.
En mettant en relation ces deux moyens d'étude des paléoclimats, quelle conclusion pouvez-vous tirer? Quelle remarque feriez-vous à une critique concernant l'imprécision des mesures?

3.2 CORRELATIONS ENTRE VOLUME DES GLACES ET NIVEAU DE LA MER


A partir du document précédent évaluez la remontée du niveau marin depuis le dernier maximum glaciaire il y a environ 20 000 ans B.P. Depuis quand la géographie actuelle des continents existe-t'elle?
Connaissant la surface des océans (3,5.10e14 m2) et le volume actuel du réservoir des glaces continentales (30.10e6 km3) principalement localisées sur l'Antactique, calculez la montée des eaux qui résulterait de la fonte totale de ces glaces.
Dites pourquoi la fonte de la glace de mer (banquise) ne fait pas augmenter le niveau des océans.

3.3 CORRELATIONS ENTRE ACTIVITE DES DORSALES ET VOLUME DES BASSINS OCEANIQUES

Lors de l'expansion océanique de grandes quantités de laves sont émises: le volume des dorsales augmente considérablement, diminuant d'autant le volume des bassins océaniques. Ce phénomène provoque une transgression généralisée de grande ampleur. A l'inverse, lors du ralentissement de l'expansion océanique et du fait de l'augmentation de densité de la lithosphère océanique avec l'âge de celle-ci, la profondeur du bassin augmente et le niveau marin baisse (régression).


En analysant le document ci-dessus expliquez la transgression observée au Crétacé supérieur. A quelle échelle de temps ces phénomènes jouent-ils?

3.4 VARIATIONS DE TEMPERATURE DE L'EAU DE MER ET VOLUME DES OCEANS

Il est possible de modéliser l'action de la température sur l'eau à l'état liquide.

Réalisez le montage suivant: un ballon surmonté d'un tube gradué est rempli d'eau - initialement à une température proche de 0°C - et placé dans un chauffe-ballon électrique. Grâce à une sonde thermométrique plongeant dans le ballon, on mesure l'élévation de température. On constate que le niveau de l'eau s'élève dans le tube. On admet que la graduation initiale constitue le niveau 0: relevez la température à chaque fois que l'eau franchit une nouvelle graduation de 5 mm.
Vous tracerez la courbe d'élévation de la hauteur d'eau en fonction de la température.

On définit un coefficient de dilatation thermique volumique de l'eau = 2,6.10e-4 °Ce-1. Il permet de calculer la variation de volume de l'eau lors d'un changement de température. Si Vo est le volume de l'eau à la température To et VT le volume à la température T, alors:
VT = Vo [1 + (T - To)]
Connaissant le volume actuel des océans (1,4.10e18m3), il est donc possible de prévoir leur variation de volume lors d'un changement climatique.

4 Modélisation de l'évolution future du niveau des mers

4.1 LA SURVEILLANCE SATELLITAIRE DU NIVEAU MOYEN DES MERS DEPUIS 1993: TOPEX-POSEIDON

Le suivi des variations du niveau moyen des mers constitue une application précieuse de l'altimétrie spatiale. Cette technique permet une précision meilleure que le mm/an, une couverture à l'échelle du globe et une résolution temporelle appréciable. Le satellite Topex/Poseidon a permis de détecter une élévation du niveau global de la mer d'environ 2.5 mm/an depuis le début 1993.

Sur une échelle des temps correspondant au siècle les phénomènes responsables des variations du niveau moyen global de la mer sont:

des modifications du volume des eaux océaniques qui sont la conséquence de variations de densité de l'eau de mer causées par des variations de température et de salinité,
des changements du contenu des masses d'eau océaniques causés par les échanges d'eau avec les autres réservoirs de surface du globe (atmosphère, eaux continentales, calottes glaciaires polaires).

4.2 DES MODELES POUR L'AVENIR

Les mesures du niveau des océans par marégraphes ont montré que, durant le XXe siècle l'élévation du niveau des océans a été de10 à 20 cm.

Entre le lancement de TOPEX-POSEIDON en 1993 et le début de l'année 2001, quelle a été l'élévation du niveau des océans?

Si l'on avance l'hypothèse que le réchauffement climatique lié aux activités humaines conduirait inévitablement à une augmentation du niveau moyen des océans, il est bon de rechercher quel en serait les facteurs responsables.
La fonte des glaces continentales ne serait responsable que de 6 à 9 cm de la montée des eaux au cours du XXe siècle, la dilatation thermique de l'eau rend compte d'une augmentation de près de 10 cm de celle-ci.

Quelle pourrait être la variation du niveau des mers liée à la dilatation thermique de l'eau d'ici à la fin du siècle sachant que:
- seule la partie superficielle des océans (500 premiers mètres) peut être affectée par des variations de la température atmosphérique,
- la surface des océans est de 3,5.10e14 m2,
- le réchauffement climatique annoncé est de 2 à 5°C?

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