Paléoclimatologie …et plus si le temps Préparation Agreg SVT, UJF, 2007-2008 Paléoclimatologie …et plus si le temps Jérôme Nomade

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

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

Introduction

Introduction

Introduction

Introduction

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

Partie 1 Les archives

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

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

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

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

Partie 1 1-Les archives historiques

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 22 000 BP, puis entre 12 000 à 9 000 BP, avant de disparaître vers 7 000 BP. Le dernier de ces lacs, le lac Tchad, enregistre une dernière période humide il y a 2 000 ans.

Partie 1 1-Les archives historiques Paroi gauche de la grande salle des Taureaux Peintures rupestres de la Grotte de Lascaux –15 000 ans av.J.C.

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

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

Partie 1 2-Les archives « géologiques » glaciaires Stries glaciaires Vallée de Vicdessos (Ariège) -18 000 ans Gros caillou de Lyon (quartzite triasique métamorphique)

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)

2-Les archives « géologiques » Partie 1 2-Les archives « géologiques » Un exemple: La vallée de Chamonix Il y a 12000 ans. S. Couterrand

Partie 1 2-Les archives « géologiques » glaciaires

Partie 1 2-Les archives « géologiques » glaciaires

Partie 1 2-Les archives « géologiques » glaciaires

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

13C/12C  stress hydrique Partie 1 2-Les archives « géologiques » paléontologique 13C/12C  stress hydrique -29 -28 -27 -26 -25 -24 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 ?

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.

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

Partie 1 3-Les archives biologiques

Partie 1 3-Les archives biologiques

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.

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

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

Partie 1 Parenthèse méthodologique : Les outils isotopiques

Partie 1 Parenthèse méthodologique : Les outils isotopiques

Partie 1 Parenthèse méthodologique : Les outils isotopiques

Partie 1 Parenthèse méthodologique : Les outils isotopiques ∂18O = 103 ((18O/160)échantillon / (18O/160)SMOW – 1) ∂18O SMOW = 1.031 ∂18O PDB + 30.86

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

Partie 1 Parenthèse méthodologique : Les outils isotopiques La situation il y a 20 000 ans au dernier maximum glaciaire

Partie 1 Parenthèse méthodologique : Les outils isotopiques

Partie 1 4-Les archives sédimentologiques

Partie 1 4-Les archives sédimentologiques

Partie 1 4-Les archives sédimentologiques : las argiles

Partie 1 4-Les archives sédimentologiques

Partie 1 4-Les archives sédimentologiques

Partie 1 4-Les archives sédimentologiques

Partie 1 5-Les archives glaciaires

Partie 1 5-Les archives glaciaires

Partie 1 5-Les archives glaciaires

Partie 1 5-Les archives glaciaires

Partie 1 5-Les archives glaciaires

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

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].

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]

Partie 1 5-Les archives glaciaires

Partie 1 Des synthèses ?

Partie 1 Des synthèses ?

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

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

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

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

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

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

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

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

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’

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

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 Ca2+ + 2 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

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

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) 3 - 145 ppm consommés (1.8x DpCO2 Modern-LGM) 4 – 50 Ma après les traps > SBE

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

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).

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

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

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

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

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

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

Partie 2 2-L’entré dans la dernière glaciation

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

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.

Partie 2 2-L’entré dans la dernière glaciation

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Partie 2 4-L’enregistrement du DMG

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

Partie 2 4-L’enregistrement du DMG

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

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

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

Partie 2 4-L’enregistrement du DMG

Partie 2 4-L’enregistrement du DMG

Partie 2 4-L’enregistrement du DMG

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…..

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

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

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.

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

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

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

Partie 3 1-Les paramètres forçant et leurs influences

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

Partie 3 1-Les paramètres forçant et leurs influences

Partie 3 2-Un contrôle tectonique des climats ?

Partie 3 2-Un contrôle tectonique des climats ?

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- Ca2+ + 2 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

Partie 3 2-Un contrôle tectonique des climats ?

Partie 3 2-Un contrôle tectonique des climats ?

Partie 3 3- Les autres forçages

Partie 3 3- Les autres forçages

Partie 3 3- Les autres forçages

Partie 3 3- Les autres forçages

Partie 3 3- Les autres forçages

Partie 3 Conclusion

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 ?