Paléoclimatologie …et plus si le temps

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1 Paléoclimatologie …et plus si le temps
Préparation Agreg SVT, UJF, Paléoclimatologie …et plus si le temps Jérôme Nomade

2 Paléoclimatologie… et perspectives futures
Introduction Partie 1- Les outils et méthodes 1-Les archives historiques 2-Les archives « géologiques » 3-Les archives biologiques Parenthèse méthodologique : Les outils isotopiques 4-Les archives sédimentologiques 5-Les archives glaciaires Partie 2- L’histoire paléoclimatiques de la Terre 1-De -4.5 Ga à la dernière Glaciation 2-L’entré dans la dernière glaciation 3-Les cycles glaciaires et interglaciaires des derniers 2.5Ma 4-L’enregistrement du DMG 5-L’Holocène : stabilité et surprise climatique Partie 3- Les moteurs des glaciations et de changement climatiques 1-Les paramètres forçant et leurs influences 2-Un contrôle tectonique des climats ? 3-Les autres forcages Conclusion

3 Pourquoi étudier les paléoclimats ?
Introduction Pourquoi étudier les paléoclimats ? - Parce que l’on n’a pas beaucoup de mesure ! Pour la connaissance « Plus les hommes seront éclairés plus ils seront libres » Voltaire Pour la connaissance des climats futurs Dans le cadre de la prédiction de l’évolution du climat pour les décennies ou les siècles à venir, les modèles utilisés sont « testés » sur des données paléoclimatiques L’amélioration des bases de données….. Toutefois toutes les reconstitutions (de températures, de pluviosité, d’environnement, de flux sédimentaires) ne participent pas à ce « pool » utilisé par les modélisateurs

4 Introduction

5 Introduction

6 Introduction

7 Introduction

8 Paléoclimatologie… et perspectives futures
Introduction Partie 1- Les outils et méthodes 1-Les archives historiques 2-Les archives « géologiques » 3-Les archives biologiques Parenthèse méthodologique : Les outils isotopiques 4-Les archives sédimentologiques 5-Les archives glaciaires Partie 2- Les moteurs des glaciations 1-Les paramètres forçant et leurs influences 2-Un contrôle tectonique des climats ? 3- Les autres forçages Partie 3- L’histoire paléoclimatiques de la Terre 1-De -4.5 Ga à la dernière Glaciation 2-L’entré dans la dernière glaciation 3-Les cycles glaciaires et interglaciaires des dernier 2.5Ma 4-L’enregistrement du DMG 5-L’Holocène : stabilité et surprise climatique Conclusion

9 Partie 1 Les archives

10 1-Les archives historiques
Partie 1 1-Les archives historiques La Belgique vue par Bruegel, 1630

11 1-Les archives historiques
Partie 1 1-Les archives historiques Chamouni et le glacier des Bois Jean Dubois, 1820 (In Reynaud, 2004)

12 1-Les archives historiques
Partie 1 1-Les archives historiques Juillet 2003 Vallot, 1920

13 Clariden Saint Sorlin Hintereisfermer Sarennes
Partie 1 1-Les archives historiques Clariden Saint Sorlin Hintereisfermer Sarennes 1910 1950 1980 2003 Vincent et al., 2003

14 Partie 1 1-Les archives historiques

15 1-Les archives historiques
Partie 1 1-Les archives historiques Les gravures rupestres du Tassili ou du Tibesti (5500 à 4300 BP) décrivent une faune de zone humide, peinte par des peuples chasseurs, pêcheurs et pasteurs. Les lacs (donc les pluies) abondaient dans le Sahara vers BP, puis entre à BP, avant de disparaître vers BP. Le dernier de ces lacs, le lac Tchad, enregistre une dernière période humide il y a ans.

16 Partie 1 1-Les archives historiques Paroi gauche de la grande salle des Taureaux Peintures rupestres de la Grotte de Lascaux – ans av.J.C.

17 Partie 1 2-Les archives « géologiques » ss Des indices d’une glaciation massive dans des roches de 600 Ma

18 Partie 1 2-Les archives « géologiques » ss Chenaux d’érosion sous-glaciaire en Mauritanie (terrain ordovicien)

19 Partie 1 2-Les archives « géologiques » glaciaires Stries glaciaires Vallée de Vicdessos (Ariège) ans Gros caillou de Lyon (quartzite triasique métamorphique)

20 2-Les archives « géologiques » glaciaires
Partie 1 2-Les archives « géologiques » glaciaires Un affleurement quaternaire de Maurienne (73) La Mer de Glace et ses moraines PAG (Chamonix, 74)

21 2-Les archives « géologiques »
Partie 1 2-Les archives « géologiques » Un exemple: La vallée de Chamonix Il y a ans. S. Couterrand

22 Partie 1 2-Les archives « géologiques » glaciaires

23 Partie 1 2-Les archives « géologiques » glaciaires

24 Partie 1 2-Les archives « géologiques » glaciaires

25 Partie 1 2-Les archives « géologiques » (parenthèse 14C)

26 13C/12C  stress hydrique Partie 1 2-Les archives
« géologiques » paléontologique 13C/12C  stress hydrique d13C (‰) Eretmophyllum andegavense Angiosperme 2 Cycas Brachyphyllum Geinitzia Conifère Angiosperme 1 Frenelopsis alata Cas des flores du Cénomanien d’Anjou 3mm 30mm 1cm Eretmophyllum andegavense Frenelopsis alata ? salinité croissante ?

27 Partie 1 3-Les archives biologiques Les associations de pollens contenus dans les dépôts récents permettent de reconstituer la nature et l’évolution des écosystèmes, et donc du climat.

28

29 Partie 1 3-Les archives biologiques Un exemple de reconstitution de Température

30 Partie 1 3-Les archives biologiques

31 Partie 1 3-Les archives biologiques

32 Les Foraminifères: Partie 1 3-Les archives biologiques
Il s'agit d'unicellulaires hétérotrophes (constituant donc une des composantes du zooplancton), qui sécrètent un squelette (ou test). ils sont très utilisés comme outil de datation et de corrélation stratigraphique et chronologique (chronostratigraphie) des sédiments. ils enregistrent la composition isotopique en oxygène et en carbone de leur environnement immédiat.     Les Foraminifères sont par conséquent des paléo-thermomètres potentiels. En outre, si l'on connaît leur mode de vie [benthiques (sur le fond) ou planctoniques (dans la tranche d'eau)], ou à défaut celui de leurs descendants actuels, supposé identique], on peu reconstituer les températures des masses d'eau océaniques et leur variations au cours du temps.

33 au cours des 7 derniers cycles climatiques
Partie 1 3-Les archives biologiques Les foraminifères benthiques et la chimie des eaux profondes de l’océan au cours des 7 derniers cycles climatiques

34 Partie 1 Parenthèse méthodologique : Les outils isotopiques 18O (99.759%), 17O (0.037%) et 16O (0.204%) 16O s'évapore préférentiellement dans l'atmosphère et 18O précipite préférentiellement car il est plus lourd. Lors de la fixation biologique ou de changements de phases, l’isotope léger de l’Oxygène (16O) est utilisé de préférence. [18O/ 16O]échantillon - [18O/ 16O]standard d18O = 1000 x [18O/ 16O] standard On définit d18O tel que: Les variations isotopiques sont exprimées par rapport à des standards

35 Partie 1 Parenthèse méthodologique : Les outils isotopiques

36 Partie 1 Parenthèse méthodologique : Les outils isotopiques

37 Partie 1 Parenthèse méthodologique : Les outils isotopiques

38 Partie 1 Parenthèse méthodologique : Les outils isotopiques ∂18O = 103 ((18O/160)échantillon / (18O/160)SMOW – 1) ∂18O SMOW = ∂18O PDB

39 Partie 1 Parenthèse méthodologique : Les outils isotopiques La composition actuelle de l’eau de mer

40 Partie 1 Parenthèse méthodologique : Les outils isotopiques La situation il y a ans au dernier maximum glaciaire

41 Partie 1 Parenthèse méthodologique : Les outils isotopiques

42 Partie 1 4-Les archives sédimentologiques

43 Partie 1 4-Les archives sédimentologiques

44 Partie 1 4-Les archives sédimentologiques : las argiles

45 Partie 1 4-Les archives sédimentologiques

46 Partie 1 4-Les archives sédimentologiques

47 Partie 1 4-Les archives sédimentologiques

48 Partie 1 5-Les archives glaciaires

49 Partie 1 5-Les archives glaciaires

50 Partie 1 5-Les archives glaciaires

51 Partie 1 5-Les archives glaciaires

52 Partie 1 5-Les archives glaciaires

53 Mesure dans les bulles d’air
Partie 1 5-Les archives glaciaires GLOBAL Gaz: CO2, CH4, N2O Mesure dans les bulles d’air L’enregistrement du climat dans la glace REGIONAL Température (D, 18O: isotopes de l’eau) Mesure de la glace LOCAL Gaz: 15N de N2 (isotopes de l’air) Teneur en air dans les bulles

54 Partie 1 5-Les archives glaciaires a. Schéma de la structure d’un névé. b. Fractionnements isotopiques décrits par la répartition en profondeur de δ15N, δ18O et de δ40Ar dans l’air du névé de Dôme C [Landais et al., 2006].

55 Partie 1 5-Les archives glaciaires Profils de CH4 pour plusieurs forages glaciaires. Sont représentées, en noir, la courbe de CH4 mesurée à Vostok sur l’échelle d’age GT4 [Petit et al., 1999 ; Delmotte et al., 2004], en bleu, la courbe de CH4 mesurée à Dôme C sur l’échelle d’âge EDC3 [EPICA community members, 2004 ; Parrenin et al., 2007] et en rouge, la courbe de CH4 mesurée à GISP2 sur l’échelle d’âge de Brook et al. [1996]

56 Partie 1 5-Les archives glaciaires

57 Partie 1 Des synthèses ?

58 Partie 1 Des synthèses ?

59 Paléoclimatologie… et perspectives futures
Introduction Partie 1- Les outils et méthodes 1-Les archives historiques 2-Les archives « géologiques » 3-Les archives biologiques Parenthèse méthodologique : Les outils isotopiques 4-Les archives sédimentologiques 5-Les archives glaciaires Partie 2- L’histoire paléoclimatiques de la Terre 1-De -4.5 Ga à la dernière Glaciation 2-L’entré dans la dernière glaciation 3-Les cycles glaciaires et interglaciaires des dernier 2.5Ma 4-L’enregistrement du DMG 5-L’Holocène : stabilité et surprise climatique Partie 3- Les moteurs des glaciations 1-Les paramètres forçant et leurs influences 2-Un contrôle tectonique des climats ? 3- Les autres forçages Conclusion

60 Partie 2 1-De -4.Ga à la dernière Glaciation

61 Partie 2 1-De -4.Ga à la dernière Glaciation Les continents pris par les glaces depuis 2.3 Ga

62 Partie 2 1-De -4.Ga à la dernière Glaciation

63 Partie 2 1-De -4.Ga à la dernière Glaciation Les glaciations Précambrienne

64 Autour de 750 Ma, Sturtienne
Partie 2 1-De -4.Ga à la dernière Glaciation Les glaciations Précambrienne Deux phases de glaciations caractérisées par des dépôts glaciaires formés à des latitudes tropicales et à basses altitudes 1 Autour de 750 Ma, Sturtienne 2 Autour de 600 Ma,Varangienne GE Williams (1975), forte obliquité (>60°) = pôles + chaud que l’équateur Cap Carbonates à texture inhabituelle J. Kirschvink (1992), P. Hoffman (1998), théorie de la Snowball Earth = Terre totalement englacée (rôle des gaz à effets de serre, pas de variation d’obliquité) 13C des carbonates marins = -5 %o Dépôts de fer rubanés

65 Partie 2 1-De -4.Ga à la dernière Glaciation Les glaciations Précambrienne

66 Partie 2 1-De -4.Ga à la dernière Glaciation Les glaciations Précambrienne

67 Mise en place de surface basaltique
Partie 2 1-De -4.Ga à la dernière Glaciation Les glaciations Précambrienne Inconsistant avec la répartition des dépôts glaciaires 1 - Forçage orbital 2 - Forçage géochimique Études pratiquement inexistantes Mécanismes à tester Mise en place de surface basaltique Fragmentation du supercontinent ‘Rodinia’

68 Cycle du carbone Océan-Atmosphère Manteau altération C réduit
Carbonates Subduction dépôts Cycle du carbone Océan-Atmosphère Recyclage Dégazage du manteau Manteau

69 Bilan altération des silicates:
Partie 2 1-De -4.Ga à la dernière Glaciation Les glaciations Précambrienne Dissolution des silicates continentaux: CaSiO3 + 2H2CO3 Ca2+ + 2HCO3- + SiO2 +H2O Précipitations des carbonates Ca HCO3- CaCO3 + H2CO3 Bilan altération des silicates: CaSiO3 + 2H2CO3 CaCO3 + H2CO3 A des échelles temporelles de variations > 200 ka, variations de la teneur en carbone atmosphérique dépend uniquement de la source: le volcanisme et du puit: l’érosion des silicates Walker, Hays et Kasting, 1981

70 Partie 2 1-De -4.Ga à la dernière Glaciation Les glaciations Précambrienne

71 4 – 50 Ma après les traps > SBE
Partie 2 1-De -4.Ga à la dernière Glaciation Les glaciations Précambrienne 1 - Mise en place d’une surface basaltique de 6.2 M de km2 à 780 Ma avec un CO2 de 280 ppm 2 - Dérive vers le Sud à raison de 2 cm/a puis 8 cm/a après 750 Ma (ouverture du Proto-Pacifique) ppm consommés (1.8x DpCO2 Modern-LGM) 4 – 50 Ma après les traps > SBE

72 Partie 2 1-De -4.Ga à la dernière Glaciation Les glaciations Précambrienne Cf. la semaine prochaine…

73 Histoire des climats entre 540 et 30 Ma : Climats et supercontinents
Partie 2 1-De -4.Ga à la dernière Glaciation Histoire des climats entre 540 et 30 Ma : Climats et supercontinents Une période tempérée/douce interrompue par deux phases glaciaires : à l’Ordovicien (450 Ma) et au Permo-Carbonifère (300 Ma).

74 La glaciation Permo-Carbonifère
Partie 2 1-De -4.Ga à la dernière Glaciation La glaciation Permo-Carbonifère (Trompette, 2003)

75 La glaciation Permo-Carbonifère
Partie 2 1-De -4.Ga à la dernière Glaciation La glaciation Permo-Carbonifère

76 La glaciation Permo-Carbonifère
Partie 2 1-De -4.Ga à la dernière Glaciation La glaciation Permo-Carbonifère

77 Partie 2 1-De -4.Ga à la dernière Glaciation La glaciation fini-ordovicienne

78 1-De -4.Ga à la dernière Glaciation… conclusion
Partie 2 1-De -4.Ga à la dernière Glaciation… conclusion l'ère glaciaire actuelle, qui a débuté sur le continent antarctique il y a 30 ou 40 Ma. la « permo-carbonifère », de -350 à -250 Ma l' « ordovicienne », sup autour de -450 Ma les glaciations Néoprotérozoique, de -800 à -550 Ma la glaciation Huronienne, de -2.7 à -2.1 Ga ? (milliards d'années) Refroidissement du passage Jurassique/Crétacé

79 Partie 2 1-De -4.Ga à la dernière Glaciation… conclusion

80 Partie 2 2-L’entré dans la dernière glaciation

81 2-L’entré dans la dernière glaciation
Partie 2 2-L’entré dans la dernière glaciation Température des océans et Géodynamique (trompette, 2003)

82 Partie 2 2-L’entré dans la dernière glaciation Vers 40 Ma, l’instal-lation du courant d’W circum-polaire refroi-dit des eaux profondes du Pacifique, et la zone subantarctique.

83 Partie 2 2-L’entré dans la dernière glaciation

84 Partie 2 3-Les cycles glaciaires et interglaciaires des dernier 2.5Ma La périodicité glaciaire-interglaciaire depuis 3.5 Ma

85 Partie 2 3-Les cycles glaciaires et interglaciaires des dernier 2.5Ma

86 Partie 2 3-Les cycles glaciaires et interglaciaires des dernier 2.5Ma

87 Partie 2 3-Les cycles glaciaires et interglaciaires des dernier 2.5Ma

88 Biber…….> 2 Ma Donau……2 Ma Gunz……1.2 Ma à 750 ka
Partie 2 3-Les cycles glaciaires et interglaciaires des dernier 2.5Ma La stratigraphie continentale du début du 20ème siècle comptait 6 épisodes glaciaires Elle était fondée sur l’âge de terrasses alluviales d’affluents du Danube Biber…….> 2 Ma Donau……2 Ma Gunz……1.2 Ma à 750 ka Mindel……650 à 350 ka Riss ……300 à 140 ka Wurm ……60 à 20 ka Obsolète parce que régional…les glaciations quaternaires ont un caractère global

89 Partie 2 3-Les cycles glaciaires et interglaciaires des dernier 2.5Ma La preuve : le signal isotopique dans les glaces et les océans

90 3-Les cycles glaciaires et interglaciaires des dernier 2.5Ma
Partie 2 3-Les cycles glaciaires et interglaciaires des dernier 2.5Ma Masson et al., Nature 2004

91 3-Les cycles glaciaires et interglaciaires des dernier 2.5Ma
Partie 2 3-Les cycles glaciaires et interglaciaires des dernier 2.5Ma Petit et al., Nature

92 3-Les cycles glaciaires et interglaciaires des dernier 2.5Ma
Partie 2 3-Les cycles glaciaires et interglaciaires des dernier 2.5Ma Des oscillations millénaires : les insterstades Dansgaard-Oeschger 20 interstades glaciaires au cours de la dernière période glaciaire

93 Partie 2 3-Les cycles glaciaires et interglaciaires des dernier 2.5Ma

94 4-L’enregistrement du DMG
Partie 2 4-L’enregistrement du DMG Coutterand, 2003

95 Partie 2 4-L’enregistrement du DMG

96 4-L’enregistrement du DMG
Partie 2 4-L’enregistrement du DMG Guiter et al., 2005

97 Partie 2 4-L’enregistrement du DMG

98 Partie 2 4-L’enregistrement du DMG L’Europe du Nord au Dernier Maximum Glaciaire

99 Partie 2 4-L’enregistrement du DMG L’hémisphère Nord au Dernier Maximum Glaciaire Berger, 1992

100 Partie 2 4-L’enregistrement du DMG L’hémisphère Nord au Dernier Maximum Glaciaire

101 Partie 2 4-L’enregistrement du DMG

102 Partie 2 4-L’enregistrement du DMG

103 Partie 2 4-L’enregistrement du DMG

104 5-L’Holocène : stabilité et surprises climatique
Partie 2 5-L’Holocène : stabilité et surprises climatique Evolution du 18O des précipitations à GRIP (Groenland) et à Ammersee (Allemagne) Des surprises climatiques synchrone! Avec des climats qui évoluent différemment…..

105 Partie 2 5-L’Holocène : stabilité et surprises climatique

106 Partie 2 5-L’Holocène : stabilité et surprises climatique

107 Les décharges d’eau de fonte et d’eau douce bloquent-elles
Partie 2 5-L’Holocène : stabilité et surprises climatique Les décharges d’eau de fonte et d’eau douce bloquent-elles la circulation thermohaline ? 1 – avant 13 BP, le front polaire est trop méridional : la circulation thermohaline n’existe pas au tardiglaciaire 2 – Les eaux de fonte abaissent la salinité et bloquent la circulation thermohaline : début du Dryas 3 – L’absence de Gulf Stream conduit au développement de la calotte glaciaire 4 – La circulation thermohaline reprend, le Gulf Stream aussi : début de l’Holocène.

108 Effondrement d’une calotte résiduelle :
Partie 2 5-L’Holocène : stabilité et surprises climatique Effondrement d’une calotte résiduelle :

109 Partie 2 5-L’Holocène : stabilité et surprises climatique Les températures du dernier millénaire…

110 Paléoclimatologie… Introduction Partie 1- Les outils et méthodes 1-Les archives historiques 2-Les archives « géologiques » 3-Les archives biologiques Parenthèse méthodologique : Les outils isotopiques 4-Les archives sédimentologiques 5-Les archives glaciaires Partie 2- L’histoire paléoclimatiques de la Terre 1-De -4.5 Ga à la dernière Glaciation 2-L’entré dans la dernière glaciation 3-Les cycles glaciaires et interglaciaires des dernier 2.5Ma 4-L’enregistrement du DMG 5-L’Holocène : stabilité et surprise climatique Partie 3- Les moteurs des glaciations et des changements climatiques 1-Les paramètres forçant et leurs influences 2-Un contrôle tectonique des climats ? 3- Les autres forçages

111 Partie 3 1-Les paramètres forçant et leurs influences

112 1-Les paramètres forçant et leurs influences
Partie 3 1-Les paramètres forçant et leurs influences Trompette, 2003

113 Partie 3 1-Les paramètres forçant et leurs influences

114 Partie 3 2-Un contrôle tectonique des climats ?

115 Partie 3 2-Un contrôle tectonique des climats ?

116 2-Un contrôle tectonique des climats ?
Partie 3 2-Un contrôle tectonique des climats ? CaAl2Si2O8= Plagioclase calcique CaAl2Si2O8 + 3H2O + 2CO2 <------> Al2Si2O5(OH)4 (kaolinite) +Ca2+ + 2HCO3- Ca HCO3-<------> CO2 + H2O + CaCO3 l'altération d'une mole d'anorthite a pompé une mole de CO2 dans l'atmosphère.  Himalaya : 10 km d'épaisseur, et ce sur les 2000 km de long et les 100 km de large

117 Partie 3 2-Un contrôle tectonique des climats ?

118 Partie 3 2-Un contrôle tectonique des climats ?

119 Partie 3 3- Les autres forçages

120 Partie 3 3- Les autres forçages

121 Partie 3 3- Les autres forçages

122 Partie 3 3- Les autres forçages

123 Partie 3 3- Les autres forçages

124 Partie 3 Conclusion

125 Partie 3 Conclusion ATTENTION: la variation des paramètres orbitaux = cyclicité et non pas forçage ! Les modifications globales des paramètres orbitaux ? (cf. Precambrien) Les poussières galactiques ? L’équilibre insolation/CO2 et donc la tectonique La position des continents et donc la tectonique (circulation, rétroaction….) La Vie sur terre ?