Utiliser un modèle en mode simulation pour tester des hypothèses

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1 Utiliser un modèle en mode simulation pour tester des hypothèses
Thème d'étude : L'évolution du climat du Silurien au Permo-Carbonifère. Les équations qui régissent le fonctionnement du modèle étant complexes, il ne semble pas envisageable d’avoir avec les élèves une démarche de construction du modèle mais plutôt une utilisation en mode simulation. Cet outil peut s’insérer dans une démarche scientifique et permet de répondre (avec les réserves que cela implique) à une problématique. La construction d’un modèle simple ne permet pas de relater les phénomènes complexes qui régissent les flux de carbone à long terme. On a pour ce faire la possibilité de passer au modèle du chercheur notamment une adaptation du modèle de R. Berner, Géocarb II. L’utilisation de ce modèle pour résoudre des problèmes géologiques nécessite des prérequis sur les réservoirs et flux utilisés qui sont détaillés dans la diapositive suivante au moment de l’explication du modèle. Projet INRP - ERTé - ACCES - Equipe d‘Orléans-Tours.

2 Les réactions qui régissent le cycle du carbone à long terme.
Dissolution des carbonates CaCO3 + H2O + CO2 <--> Ca2+ + 2HCO3- (1 du minéral, l’autre de l’atmosphère) Précipitation des carbonates Ca2+ + 2HCO3- <--> CO2 + H20 + CaCO3 Bilan nul : Réactions équilibrées à l’échelle du millier ou million d’années. Altération des silicates calciques CaAl2Si2O8 + 3H2O + 2CO2  Ca2+ + Kaolinite + 2HCO3- Acheminés par l’eau douce vers l’océan, un des deux CO2 prélevés participe à la formation d’un CaCO3, l’autre est restitué à l’atmosphère. Bilan : 1 CO2 prélevé à l’atmosphère. Les variations aux grandes échelles de temps ne sont liées qu’aux variations de l’altération continentale.

3 Pour la matière organique : CH2O + O2 CO2 + H2O
Le métamorphisme et le volcanisme permettent un retour dans l’atmosphère du CO2 stocké dans les carbonates CaCO3 + SiO2  CaSi03 + CO2 Retour vers l’atmosphère par l’intermédiaire du volcanisme des zones de subduction Pour la matière organique : CH2O + O CO2 + H2O Géorespiration (après enfouissement et remontée en surface) Enfouissement de M.O (formation du pétrole, du charbon, du gaz …)

4 Réservoir superficiel
Comprendre l’influence de la biosphère sur le climat de la fin du primaire en utilisant un modèle du cycle du carbone à long terme. Réservoir superficiel Explication du modèle utilisé. Un modèle adapté de Géocarb II à 3 compartiments, et 6 flux qui régissent les échanges de carbone entre ces compartiments qui fonctionne sur une durée de 600 Ma. Ces différents flux sont coefficientés en fonction des données géologiques. Figure en orange tout les paramètres pouvant être modifiés par l’expérimentateur. Les réservoirs Le réservoir le plus important est celui des roches carbonatées, le carbone y est stocké sous forme de CaCO3 dans les roches calcaires. On inclut dans ce réservoir le stockage sous forme de dolomie (MgCO3). Par ordre d’importance vient ensuite le réservoir des roches carbonées, le carbone est stocké sous forme de charbon, pétrole, huile, kérogène,gaz… Pour finir, la biosphère, l’atmosphère, et l’océan qui sont de de petites tailles par rapport aux deux précédents ont été regroupés en 1 seul réservoir (couleur bleue). Pour pouvoir les regrouper, on admet qu’à l’échelle de temps considérée ces trois réservoirs superficiels sont à l’équilibre. II. Les flux De gauche à droite sur la diapositive : la sédimentation qui correspond au stockage du CO2 atmosphérique, sous forme de roches carbonatées. Un CO2 est prélevé à l’atmosphère par l’altération des silicates. Ce CO2 accompagné d’un ion calcium forme un CaCO3. C’est pour cela que l’équation qui régit la sédimentation intègre aussi l’altération des silicates. L’altération du CaCO3 est la dissolution des calcaires exposés à l’érosion. Un CO2 est alors restitué à l’atmosphère. Métamorphisme et volcanisme sont les deux processus géologiques qui permettent un recyclage des carbonates océaniques. Dans les zones de subduction les carbonates enfouis sont métamorphiser selon la réaction CaCO3+SiO2 →CaSiO3(pyroxène) + CO2. Le CO2 ainsi libéré est évacué vers la surface par l’intermédiaire des magmas calco-alcalins du volcanisme subductif. L’altération des roches carbonées correspond à une oxydation des roches mises a nues à la faveur d’une orogenèse. La « géorespiration ». Le métamorphisme des roches carbonées inclut la diagenèse, le métamorphisme d’enfouissement et orogénique. Les dernier flux , « enfouissement » correspond au stockage dans les roches sédimentaires de matière organique à partir des végétaux continentaux (gisement de charbon carbonifère) par exemple ou encore du phytoplancton pour certains pétroles. A partir de la quantité de carbone dans le réservoir superficiel, on déduit la quantité de CO2 dans l’atmosphère par rapport à l’actuel (RCO2), et par une relation empirique, la température moyenne globale estimée. III. Les coefficients Ils sont au nombre de 7 mais seulement les 2 qui nous intéressent pour le problème géologique considéré sont représentés sur la diapositive : fe est le facteur qui exprime l’importance des végétaux sur l’altération, ce facteur qui augmente ou diminue l’altération des silicates (intégré dans l’équation de la sédimentation) donc la sédimentation carbonatée et son stockage de CO2 initialement présent dans l’atmosphère. Ce coefficient varie au cours du phanérozoïque en fonction de l’influence du système racinaire des grands groupes de végétaux qui dominent. Le système racinaire a en effet une influence variable selon le type de végétaux (mousses et lichens, premiers végétaux vasculaires, gymnospermes, angiospermes) notamment par l’importance du système racinaire lui-même qui favorise mécaniquement « l’attaque » des roches et par l’environnement chimique plus ou moins acide dont il est responsable. fr représente l’influence du relief au cours du phanérozoïque par rapport à l’actuel. En fonction de son importance l’altération est augmentée ou diminuée. On a aussi ajouté spécifiquement pour cette manipulation, la possibilité de rendre l’enfouissement de matière organique constant au cours des temps géologiques. On permet ainsi à l’utilisateur de mettre en relief son importance sur le cycle du carbone. Ces coefficients peuvent être modifiés par l’expérimentateur pour tester leurs importances dans le cycle du carbone, et tester les conséquences climatiques de ces modifications (voir diapositives 5, 6 et 7) Réservoirs lithosphériques Modèle adapté de Geocarb II, Berner

5 Tester des hypothèses sur le refroidissement du climat à la fin du primaire.
Le modèle : Adapté de Géocarb II, modèle du cycle du carbone à long terme sur 600 Ma. Problème : Comment expliquer les variations climatiques de la fin du primaire ? Démarche : Utiliser les supports classiques de la géologie (documents, roches, vidéos,cartes…) pour faire constater le refroidissement et faire émerger les trois hypothèses pouvant expliquer ce refroidissement : Lien entre refroidissement et enfouissement de la matière organique au carbonifère ? Lien entre refroidissement et évolution des végétaux, notamment l’apparition de racines ? Lien entre refroidissement et surrection de la chaîne hercynienne ? (utilisation de mesurim et calculs) Ensuite le modèle est utilisé en mode simulation suite à ce travail préliminaire pour tester la validité de telles hypothèses et pour les hiérachiser les unes par rapport aux autres. L’élève agit sur les paramètres du modèle. Intérêt de la simulation : conclure quant à la pertinence et l’importance relative des hypothèses testées. L’élève répond au problème posé. Que va-t-on faire de ce modèle ? →Tester les hypothèses sur le refroidissement du climat a la fin du primaire. Hypothèse n°1 : Du carbonifère, on connaît les grands gisements de charbon intracontinentaux du Stéphanien et littoraux du Wesphalien, connus aussi respectivement sous les noms de bassins limniques et paraliques. A cette époque le piégeage du carbone atmosphérique par la biosphère devait atteindre le double de l’actuel piegeage dans les forêts équatoriales tempérées. Ce déséquilibre est expliqué par l’absence d’une dégradation efficace de la végétation. C’est en effet à cette époque qu’apparaît la lignine, une molécule fondamentale dans la conquête du milieu terrestre. Elle n’a dans la nature, à cette époque, pas de décomposeurs efficaces. La Lignine va donc jouer le rôle de puit de CO2 pendant environ 100Ma avant que n’apparaissent les basidiomycètes qui la dégradent. Hypothèse n°2 : Dès le silurien des végétaux vasculaires colonisent le milieu continental jusqu’alors occupé par un tapis d’algues et de lichens primitifs. On constate grâce aux archives paléontologiques que le taille et la profondeur des racines augmentent jusqu'au Dévonien terminal avec un enracinement déjà profond dès le Dévonien inférieur(-390 Ma). Cet enracinement profond aura pour conséquence l'apparition de fractures dans les roches du sous-sol avec une augmentation de la "surface d'attaque" et augmentation de l'altération des roches par l'eau. Au contact de roches silicatées, la consommation de CO2 atmosphérique est accrue. Les effets mécaniques ne sont pas les seuls constatés : Les racines symbiotiques apparaissent à cette époque. Elles sont à l'origine des acides organiques et des chélates. Ces substances attaquent les roches et fournissent les éléments nutritifs nécessaires à la plante. La litière organique fait son apparition (sols bien différenciés) et participe à l'acidification des milieux. A l'échelle régionale, les plantes vasculaires font circuler l'eau par la transpiration suivie de précipitations et elles augmentent le temps de contact de la roche avec l'eau. Elles participent à la rétention de l'eau au niveau du sol, à l'origine de l'altération entre deux périodes de précipitation.  Les plantes  retardent aussi l'érosion mécanique. Hypothèse 3 : La collision entre la Laurasie (W) et le Gondwana (au S-E) est responsable de la surrection de la chaîne Hercynienne. L’importance accrue des reliefs aura pour conséquence une augmentation de l’altération des roches silicatées donc de la consommation de C02 atmosphérique. L’élève agit sur le modèle pour tester ses hypothèses→voir diapositives suivantes.

6 Utiliser le modèle Zone étudiée Données de terrain Modèle du chercheur
Résultats du scénario de référence basée sur les données géologiques. Le modèle à l’équilibre : Les résultats fournis par les calculs du modèle sont des courbes de température et de quantité de CO2 atmosphérique par rapport à l’actuel (RCO2). Les résultats montrés dans le diapositive sont ceux du modèle lorsque aucun paramètre n’est modifié par l’expérimentateur. Des résultats qui doivent refléter la réalité géologique car aucun des coefficients issus des données de terrain n’a été modifiés (voir les modifications dans les diapositives suivantes). L’encadré « zone étudiée » montre que le modèle calcul un refroidissement pour la deuxième moitié du primaire. Est ajouté sur cette diapositive : une image sur les données de terrain pour les confronter aux résultats du modèle(les barres verticales sur le graphique de gauche sont les quantité de CO2 atmosphériques estimée grâce au D13C des paléosols) une image des résultats du modèle du chercheur pour appuyer la validité de l’adaptation. Données de terrain Modèle du chercheur

7 Etalonnage sous atmosphère contrôlée en CO2.
Une méthode de validation du modèle par les données de terrain : Indice stomatique et pCO2 Mesurer indirectement la quantité de CO2 atmosphérique passée (d’après Royer et al.). Etalonnage sous atmosphère contrôlée en CO2. Feuille de Ginkgo fossile Travaux élèves : Mesurer indirectement la quantité de CO2 atmosphérique actuelle. Résultats obtenus pour le Paléocène et l’Eocène Diapositive facultative Pour valider les résultats fournis par leurs ordinateurs, les géologues vont encore sur le terrain. Un méthode séduisante consiste à compter le nombre de stomate sur des feuilles fossiles. Ce nombre est directement corrélé a la quantité de CO2 atmosphérique. Un étalonnage sous atmosphère contrôlée en CO2 a permis d’établir une relation mathématique entre l’indice stomatique (nb stomates/nb cellules épidermiques). Dans un l’exemple : le Paléocène et l’Eocène représentent les périodes les plus chaudes de l'histoire de la Terre depuis l'extinction des dinosaures. Ces époques constituent donc un intervalle idéal pour étudier la dynamique climatique d'une période globalement chaude. En utilisant une série de 25 sites de plantes fossiles contenant des cuticules de Ginko et Metasequoia , les chercheurs ont été capables de reconstruire les variations du CO2 pour les deux intervalles évoqués précédemment. Durant ces deux périodes le CO2 variait entre 300 et 450 ppm excepté une brève incursion à la fin du Paléocène. Avec les élèves on peut, en TP, travailler sur cette méthode avec du Ginkgo actuel. Recouvert d’un couche de verni la face inférieure nous livrera les empreintes de ses stomates. Une microphotographie numérique permettra de réaliser un comptage avec Mesurim. L’indice stomatique obtenu, on peut calculer la teneur en CO2 atmosphérique actuelle.

8 Hypothèse 1 : L’enfouissement de la matière organique
Un paysage au carbonifère. L’inventaire des dépôts de charbons et de pétroles au cours des temps géologiques a permis d’estimer la quantité de m.o enfouie et construire la courbe ci-dessous utilisée dans le modèle. Les enregistrements géologiques, notamment la quantité de matière organique présente dans des échantillons de roches qui couvrent toute la période du phanérozoïque ont permis d’estimer les quantités de matière organique enfouies au cours du temps (ici en moles). On obtient la courbe située à gauche de l’écran. On remarque sur cette courbe 2 pics (cerclés de rouge) qui correspondent respectivement à la genèse des gisements de charbon Carbonifère et aux bassins pétrolifères du Crétacé. On se propose pour tester l’hypothèse 1 de réduire l’enfouissement de matière organique à son niveau minimal pour l’ensemble de la période étudiée (voir courbe de droite). Ce qui nous intéresse, c’est « gommer » le pic d’enfouissement du Carbonifère pour apprécier son importance sur le refroidissement constaté. En fonction des modifications par rapport au modèle à l’équilibre l’élève pourra infirmer ou valider son hypothèse. Données géologiques obtenues à partir d’échantillonnage de terrain. Simulation : un enfouissement constant au cours des temps géologiques.

9 Hypothèse 2 : L’apparition des végétaux vasculaires avec leur appareil racinaire.
Évolution de la taille des racines au Dévonien. Les racines augmentent la surface d’attaque des roches par l’eau. 1: Apparition des végétaux vasculaires possédant des racines a partir de Silurien terminal jusqu'a l'extension maximale des Gymnospermes en 2 2: Les Gymnospermes vont dominer le monde jusqu'en 3 3: Apparition des Angiospermes avec qui l'altération continentale s'accélère. Ce sont les données paléontologiques qui permettent de construire la courbe située à gauche. fe est un coefficient compris entre 0 et 1 (1 pour l’actuel) qui module le flux de sédimentation carbonatée en influençant l’altération des silicates. On constate trois phases d’évolution des végétaux qui sont décrites sous l’image de la diapositive. Nous l’avons déjà évoqué mais on remarque que l’apparition des végétaux vasculaires en 1 s’accompagne d’une augmentation du coefficient d’altération. Les racines qui n’existaient pas dans les populations de mousses et lichens qui peuplaient la planète avant leur apparition vont accentuer mécaniquement l’altération des silicates donc la sédimentation carbonatée qui soustrait du CO2 à l’atmosphère. On propose pour tester l’hypothèse 2 un scénario qui retarde l’apparition des végétaux vasculaires (image de droite) pour pouvoir apprécier l’influence que cette apparition capitale a eu sur le cycle du carbone. On montre ainsi si oui ou non les végétaux vasculaires ont eu une influence sur le refroidissement constaté. 1 Simulation : l’apparition des végétaux vasculaires est retardée. fe est un coefficient multiplicateur qui agit dans le modèle sur l’altération des silicates.

10 Hypothèse 3 : La surrection de la chaîne hercynienne.
En marron, le relief Silurien inférieur Carbonifère supérieur Une orogenèse accentue l’érosion des roches silicatées en modifiant le relief. Le refroidissement enregistré au primaire coïncide avec la surrection de la chaîne hercynienne. On propose pour l’hypothèse 3 de rendre constant le relief sur l’ensemble de la période étudiée , soit de « gommer » les modifications de relief engendrée par la chaîne hercynienne, pour montrer une éventuelle influence sur le climat. Utilisation de Mesurim pour déterminer la surface occupée par la chaîne hercynienne et calculs de la quantité de CO2 consommé.

11 Résultats des simulations
Hypothèse 1 (enfouissement de la M.O) Simulation : enfouissement de M.O constant Hypothèse 2 (apparition des végétaux vasculaires) Simulation : l’apparition des végétaux vasculaires est retardée de 100 Ma. Interprétations des résultats En rouge le modèle à l’équilibre, en bleu les différents scénarios. Hypothèse 1 : En « gommant » le pic d’enfouissement de matière organique au carbonifère, on voit nettement que le refroidissement existe encore mais qu’il est moindre. La chute qui fait descendre la température moyenne globale jusqu’à 10°C n’existe plus. Selon le modèle, l’enfouissement est fortement impliqué dans le refroidissement. Hypothèse 2 : Retarder l’apparition des végétaux vasculaires, soit l’influence des racines sur l’altération, maintient un niveau de température supérieure de plusieurs °C durant toute la durée du « retardement ». Selon le modèle l’apparition des végétaux vasculaires participe au refroidissement en accélérant la chute de CO2 et participe à ce que le taux de CO2 au Carbonifère soit plus bas. Hypothèse 3: L’importance du relief semble peu importante dans cette simulation, seulement un léger réchauffement (-300 Ma) si l’orogenèse Hercynienne est minimisée. Conclusion : Les hypothèses de départ sont validées par le modèle, avec une importance moindre pour l’orogenèse. L’enfouissement de la matière organique et l’apparition des végétaux vasculaires sont à mettre en avant. La plus grande différence de température par rapport à l’équilibre étant observée pour la simulation d’un enfouissement constant. Hypothèse 3 (surrection de la chaîne hercynienne) Résultats du calcul / Utilisation de Mesurim