Étude des interactions Géochimie-Climat dans le contexte extrême des glaciations type ‘Snowball Earth’ Laboratoires et personnes impliqués : G. Ramstein & Y. Donnadieu, Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE-CEA) Y. Godderis, A. Nedelec & B. Dupré, Laboratoire de Modélisation des Transferts en Géologie (LMTG) J. Meert, Department of Geological Sciences, University of Florida Travail présenté par Gilles Ramstein, issu de la thèse de Yannick Donnadieu

Autour de 750 Ma, Sturtienne 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

À glaciations extrêmes, causes extrêmes ? 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: Walker, Hays et Kasting, 1981 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 retenir: 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 : Fmorb + Fvol = Fsw

Oliva, Viers et Dupré, 2002 Dessert et al., 2002

Rétroaction négative altération silicate-climat Volcanisme CO2 atmosphérique Effet de Serre Température Précipitations Ruissellement Altération des silicates

Effet de la mise en place d’une province basaltique Fsw = Abas kbas f(CO2) = 8 Abas kgra f(CO2) Fsw = (Acont-Abas) kgra f(CO2) Fsw = Acont kgra f(CO2) Fvol = Acont kgra f(CO2) Fvol = 8 A bas kgra f(CO2) + (Acont-Abas) kgra f(CO2) Fvol = (Acont+7 Abas) kgra f(CO2) Fvol = Acont kgra f(CO2)

Traps de Sibérie : 5 M de km2 Test sur la taille des traps requise en fonction du niveau de CO2 pré-perturbation et de la bande latitudinale sur laquelle elle se trouve Solution la plus plausible: 0-10°N et 150 à 360 ppm = 0.9 à 7 M de km2 (étendue des traps). Traps de Sibérie : 5 M de km2 Traps du CAMP (Central Atlantique Magmatic Province) = 7 M de km2

T dans 18 bandes Module géochimique Altération zonale, … EBM CO2 Connection climat-CO2 dans les modèles géochimiques: Utilisation du modèle Géochimie-Climat COMBINE pour tester L’impact du trap Laurentien EBM T dans 18 bandes Module géochimique Altération zonale, … CO2

4 – 50 Ma après les traps > SBE 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

Hypothèse des traps : un mécanisme nécessaire mais non suffisent … Peut expliquer une réduction du dC13 de l’eau de mer de 3.3 %o Point fort de l’hypothèse : 1 Écoulement des basaltes proche de l’équateur Les conditions requises : 2 Un climat pré-perturbation froid (Tglob= 0.8°C)

Mécanismes de refroidissement global à long terme: 1 – Apparition de traps successives 2 – Position à basses et moyennes des continents 3 - Fragmentation du supercontinent Rodinia

Exemple d’approche à l’équilibre: Modèle 0D GEOCARB (Berner,94) Version 0: Fvol = Fsw Fvol = k Runoff PCO20.3 exp[(T-288.15)/17.7)] T = 288.15 + 6.5 ln(PCO2) Runoff = [1 + 0.038 (T-288.15)] Fvol = k [1+0.038 (6.5 ln (PCO2))] PCO20.3 exp[6.5 ln (PCO2)/17.7] K= area x fe x … gymnospermes Angiospermes fe area

Résultats Indice de dégazage Royer et al, 2001

Connection climat-CO2 dans les modèles géochimiques BLAG, GEOCARB (Berner, Lasaga, Garrels, 1983 Berner, 1991,1994 Berner, Kothavala, 2001) Variabilité globale T=T0 +  ln (PCO2) – Ws (T/570) Complexité GCCM (François and Walker, 1992 COMBINE 1 François et al, 1993 Goddéris and François, 1995 Goddéris and Joachimski, 2002) Couplage géochimie-climat (EBM-1D) T dans 18 bandes de latitude Runoff reste une relation paramétrique MAIS fonction de T et aire par bande de latitude Modification de la paléogéographie en moyenne zonale Variabilité zonale

Climber-2.3 couplé au modèle COMBINE Apport d’une nouvelle dimension dans les modèles couplés climat-géochimie Contraintes sur le choix du modèle de climat Climber-2.3 couplé au modèle COMBINE 800 Ma Application au Néoprotérozoique : 750 Ma Autres CAL : Fvol imposé, Cste Solaire –6%, lithologie constante imposée

Les premiers résultats … 1 – A 800 Ma Le modèle s’équilibre à un pCO2 d’environ 1800 ppm Soit une température globale moyenne de 10.2 °C Une position tropicale des continents ne semble pas être une condition suffisante à la formation de calotte de glaces continentale mais le climat est quand même relativement froid

Les premiers résultats … 1 – A 750 Ma Le modèle s’équilibre à un pCO2 d’environ 500 ppm Réduction de 1300 ppm Soit une température globale moyenne de 2°C Réduction de 8.2°C Une configuration ou les continents sont plus petits et plus dispersés apparaît très favorable au déclenchement d’une glaciation importante

Les premiers résultats … En rouge (noir), Runoff et T pour l’expérience à 750 (800) Ma et pour une pCO2 de 1800 ppm Fvol800 Ma=Fsw800Ma (1800ppm) Fsw800 Ma-1800 << Fsw750Ma-1800 comme T et R + grd - de CO2 = R et T diminuent afin d’atteindre Fsw800 Ma (1800ppm) = Fsw750Ma (500ppm)

Sensibilité au flux de dégazage

Conclusions / Discussions Qu’en est-il des autres fragmentations de supercontinent ? Relation Constante Solaire / Forçage tectonique Paléoprotérozoique / SBE … Gondwana / pPCO2 diminue / Runoff augmente (Simulations GCM de Gibbs et al.)