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

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LES CHANGEMENTS CLIMATIQUES
AU COURS DES TEMPS GEOLOGIQUES

Il est possible de remonter beaucoup plus loin dans le passé de notre planète, que d'étudier les seuls climats du quaternaire. Les roches sont les seuls témoins qui ont conservé les traces des modifications climatiques. Comment peut-on les identifier et les dater? Peut-on modéliser l'évolution future du climat?
 

Thèmes traités et activités pédagogiques (durée: 3 semaines):

La reconstitution des climats du passé lointain

Origine des variations climatiques aux grandes échelles de temps

Les processus géologiques modifiant le taux de CO2 atmosphérique

La prévision des climats futurs

1 La reconstitution des climats du passé lointain

Par la méthode paléogéographique nous pouvons déterminer les climat passés de la terre. Elle consiste à analyser la distribution des charbons, des dépôts de désert, des paléosols tropicaux, des gisements de sels, des matériaux glaciaires, aussi bien que la distribution des flores et des faunes qui sont sensibles au climat, tels que les crocodiles, les palmiers et les mangroves (forêts de palétuviers).

1.1 UN EXEMPLE DE PERIODE GLOBALEMENT FROIDE: LE CARBONIFERE

1.1.1 Paléogéographie au Carbonifère:

 

Le Carbonifère tire son nom du charbon, dont les dépôts considérables résultent de l'enfouissement rapide de grandes quantités de matière organique.

Pendant cette avant-dernière période de l'ère primaire (Paléozoïque) de -360 à -290 MA les terres émergées sont réunies en un seul supercontinent, la Pangée. Au sud, le Gondwana est recouvert de glaces.

 

1.1.2 Des roches, indicateurs de climats:

Les roches se forment sous des conditions climatiques particulières.



Selon le principe d'actualisme, des roches sédimentaires anciennes identiques à celles observées actuellement, ont dû se former dans les mêmes conditions.

 

Par exemple les charbons, qui ont besoin de précipitations abondantes, se forment dans certaines conditions climatiques (forêts pluviales tropicales ou certaines forêts tempérées).

 

Les argiles rouges (latérites, bauxites) proviennent de l'altération des roches magmatiques (la vallée de la Durance au sud de Briançon en offre de nombreux affleurements).

 

Les évaporites (roches salines) se forment dans des zones à déficit hydrique accentué.

 

Les tillites sont des roches conglomératiques, d'origine glaciaire, dont les fragments sont mal classés (les abords de Briançon permettent d'observer de nombreuses moraines glaciaires).

 

La kaolinite est une argile blanche.

1.2 UN EXEMPLE DE PERIODE GLOBALEMENT CHAUDE: LE CRETACE

1.2.1 Paléogéographie au Crétacé:

Au Crétacé, du latin "creta", la craie, dernière période de l'ère secondaire (Mésozoïque) de -130 à -65 MA, la dislocation de la Pangée est en cours, grâce au fonctionnement très actif des dorsales océaniques.

Le niveau marin s'élève jusqu'à plus de 300m au-dessus du niveau actuel.

La température moyenne estimée est de 25°C (celle régnant actuellement est de 15°C).

 

1.2.2 Des fossiles, indicateurs de paléotempératures:

Les Champsosaures sont des reptiles, proches des crocodiles actuels et ont été trouvés en maints endroits, notamment au Canada, dans des terrains du Crétacé, à plus de 70° de latitude nord.

 

Les Rudistes sont des Mollusques Lamellibranches typiques des terrains du Crétacé, adaptés au milieu récifal.

 

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A partir des documents paléogéographiques, vous préciserez la zonation climatique du globe aux deux périodes considérées en limitant les zones glaciaires, les zones tempérées froides, tempérées chaudes, les zones arides, les zones tropicales humides. Ce travail vous permettra de justifier les différences climatiques.

 

Comprenez-vous pourquoi un même continent a pu connaître au cours des temps géologiques des climats totalement différents du climat actuel?



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2 Origine des variations climatiques aux grandes échelles de temps

CHANGEMENTS CLIMATIQUES ET TAUX DE CO2 ATMOSPHERIQUE

2.1.1 Analyse d'un modèle:

 

Des données indirectes basées sur des enregistrements lithologiques (sédiments) et paléontologiques ont permis de reconstituer l'évolution de la teneur en CO2 depuis -600 MA.

Confrontée à l'évolution des températures depuis cette période, il est possible d'établir les corrélations existant entre ces deux paramètres.

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Précisez à quoi correspondent les périodes froides et les périodes chaudes.

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2.1.2 Les réservoirs superficiels du carbone:

 

Le carbone est l'un des éléments les plus abondants de la planète. Il est présent sous différentes formes minérales ou organiques qui s'échangent continuellement entre divers réservoirs.

 

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Quels réservoirs dominent les autres de par leur masse? Précisez à quelles structures géologiques ils correspondent.

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Ils représentent les formes du stockage du carbone atmosphérique à très long terme.

"Les flux impliqués dans le cycle géologique du carbone sont très faibles par rapport aux flux d'échange de carbone entre l'atmosphère et la biomasse d'une part et l'atmosphère et l'océan d'autre part (1000 fois plus grand). Néanmoins, même si ces flux jouent un grand rôle à petite échelle de temps sur le CO2 atmosphérque, ils ne peuvent pas jouer d'influence à l'échelle géologique. En effet, le flux de photosynthèse est quasi-instantanément compensé par le flux de respiration et l'atmosphère et l'océan sont en équilibre dynamique à l'échelle géologique" - d'après Jérôme GAILLARDET - IPG Paris.


2.1.3 Les réservoirs profonds du carbone:

 

L'existence des diamants prouve la réalité de l'existence du carbone dans le manteau. La majorité du carbone sur Terre n'est pas en surface, mais dans les profondeurs. Avec une concentration de 300 ppm et une masse de 4.10²⁷ g, le manteau de la Terre contient quelques 10²³g de C, c'est-à-dire une quantité très nettement supérieure à celle des réservoirs superficiels. L'essentiel du C terrestre est donc encore dans le manteau.

 

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Concluez en précisant par quels flux de carbone est contrôlé le taux de CO2 atmosphérique.

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3 Les processus géologiques modifiant le taux de CO2 atmosphérique

3.1 L'ALTERATION DES ROCHES ET LA FORMATION DES CARBONATES

3.1.1 L'altération est l'ensemble des mécanismes physiques et chimiques qui transforment la roche-mère en particules et libèrent les ions constitutifs des minéraux.

 

Les rivières intègrent l'ensemble de ces réactions qui se produisent sur leur bassin versant. On peut ainsi quantifier l'altération à l'échelle du globe.

 

3.1.2 Un analyse menée à partir de la rivière Langevin à la Réunion

 

La rivière Langevin prend sa source sur le versant sud du Piton de la Fournaise, volcan très actif de l'île de la Réunion: elle coule sur les basaltes formés par les éruptions successives. La proportion des différents ions contenus dans ses eaux a été mesurée.

Le basalte est une roche constituée de deux minéraux silicatés: un plagioclase calcique (CaAl2Si2O8) et un péridot, l'olivine (Mg2SiO4). La composition ionique d'un basalte sain et d'un basalte altéré est donnée dans le tableau ci-dessous.

 

COMPOSITION CHIMIQUE EN PPM	Si	Al	Mg	K	Ca	Na	C
Basalte sain	25 000	85 000	48 000	7 650	76 000	18 000	100
Basalte altéré	22 000	60 000	22 000	3 500	30 000	9 000	98

 

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Quel est l'ion le plus abondant dans l'eau de la rivière Langevin?

Comparez globalement les proportions des éléments chimiques dans le basalte et dans l'eau de la rivière. Si l'on admet que les éléments chimiques transportés par la rivière proviennent des roches sur lesquelles elle s'écoule, quelle contradiction apparaît alors?

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3.1.3 Un facteur important: l'altération des silicates comparée à celle des carbonates

 

L'eau exerce à la fois une action physique (désagrégation, transport) et chimique (hydrolyse) sur les roches. Cette action aboutit à la formation de solutés et de particules insolubles.

L'eau seule ne suffit pas à altérer: des protons sont nécessaires pour détruire les réseaux cristallins des minéraux constitutifs des roches. Ils proviennent directement de la dissolution du CO2 atmosphérique dans les eaux de pluie ou des sols, ou indirectement de la dégradation des matières organiques du sol:

 



 

La précipitation / dissolution des carbonates de calcium est régie par l'équation suivante:



 

Les silicates s'altèrent en donnant par exemple des minéraux hydratés argileux, tels que la kaolinite:



 




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Etablissons le bilan de l'altération et de la sédimentation du calcium:

- une mole de CaCO3 qui se dissout consomme 1 CO2 et libère 1 Ca²⁺.

- une mole de CaCO3 qui précipite en utilisant ce Ca²⁺ libère 1 CO2.

Le bilan global est nul: le CO2 prélevé dans l'atmosphère par l'altération sera libéré dans l'océan par précipitation de la calcite.

 

- Faites le même raisonnement avec les silicates calciques et magnésiens. Que constatez-vous? Expliquez alors la contradiction soulevée par l'activité précédente.

 

Pouvez-vous expliquer comment une orogénèse peut modifier durablement le climat?

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3.2 LE PIEGEAGE DU CARBONE ORGANIQUE

Dans un écosystème, un équilibre s'établit entre la fixation de CO2 par la photosynthèse et son rejet par respiration ou fermentation. mais des "fuites" peuvent se produire qui, pour marginales qu'elles soient, jouent un rôle important.

En effet, des molécules organiques mal dégradées (substances humiques), transportées par les rivières (Rio Negro par exemple, affluent de l'Amazone) et arrivées dans les océans, peuvent, en l'absence de dioxygène, conduire à la formation de pétrole et de charbon.

On estime ainsi qu'actuellement les fleuves apportent 72.10⁶ t.an^-1 de carbone organique dans les océans.

L'accumulation de la matière organique, élaborée directement par le plancton dans les océans, amplifie encore ce phénomène qui aboutit à long terme au stockage du carbone atmosphérique.

3.3 LE DEGAZAGE DU MANTEAU

Comme nous avons pu le constater dans le § 2.1.3, le manteau supérieur contient une masse totale de carbone très nettement supérieure à celle des réservoirs superficiels.

A chaque éruption volcanique, une partie de ce carbone est émise dans l'atmosphère sous forme de CO2, pour une partie (20%) par le volcanisme aérien (Etna par exemple), pour une autre partie (80%) par le volcanisme sous-marin.

 

Eruption de l'Etna du 18/07/2001

 

Cette activité volcanique, qui est le reflet de la géodynamique interne du globe, est variable au cours du temps. Son rôle a pu ainsi être prépondérant à certaines époques de l'histoire géologique dans son influence à l'égard du taux de CO2 atmosphérique (trapps du Deccan à l'aube de l'ère tertiaire par exemple).

 

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Une étude intéressante, facultative dans votre travail, met en relation les volumes de laves émis et les volumes de carbonates déposés par million d'années depuis le Cambrien.
Consultez dans ce but l'adresse:

http://www.ens-lyon.fr/Planet-Terre/Infosciences/Histoire/Terre/Articles/volc-carbonates.html

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4 La prévision des climats futurs

"Les études ainsi réalisées doivent faire prendre conscience de la complexité du système climatique de la Terre. [...] Les scientifiques testent leurs hypothèses explicatives à l'aide de modèles reposant sur des relations entre les divers paramètres. Ces modèles constamment affinés pour rendre compte des climats d'un passé plus ou moins lointain sont nécessaires pour prévoir des scénarios des climats du futur. Les changements brutaux des climats dus aux activités humaines (ex : augmentation brutale des gaz à effet de serre) amènent à prendre en compte dans ces modèles des vitesses d'évolution des paramètres différentes.

(Extrait de "Accompagnement du programme de SVT de terminale S - spécialité SVT - Document de travail - ÉduSCOL décembre 2001").

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A partir des informations et documents des sites:

http://www.ngdc.noaa.gov/paleo/ctl/ (informations en anglais)

http://www.ens-lyon.fr/Planet-Terre/Infosciences/Climats/Historique/Cours-Climat/paleoclimat.htm

 

vous serez amenés à répondre entre autre aux questions suivantes:

- comment évolue le climat depuis 20 millions d'années?

- comment caractériser notre situation climatique actuelle?

- quel rôle peuvent jouer les activités humaines sur l'évolution du climat?

- que prédisent les modèles climatiques?

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Vous constatez ainsi que la notion de refroidissement ou de réchauffement des climats, observés à un moment donné, dépend de l'échelle de temps à laquelle on l'analyse.