Essai de relation entre les supers continents et les variations du

Cours de Dynamique de la Terre.
UNICE. Géologie, licence 1ére année.
Exposé:
Essai de relation entre les supers
continents et les variations du climat et de
mise en évidence des mécanismes
Pourquoi, comment et conséquences
1
Maj: 21 mars 2009
Introduction
Le thème de cet exposé est de montrer que le «cycle long du carbone» est
directement lié au cycle de Wilson de ~ 400 millions d’années et qu’il génère une
période froide suivie d’une période chaude tous les 200 Ma.
•En 1ère partie on examinera comment se sont formés les continents puis le processus de
fragmentation / rassemblement qui génère les variations de CO2 dans le cycle long du
carbone.
• En 2ème partie on examinera la complexité des combinaisons de cycles en faisant une
analogie avec une boucle de régulation en automatisme et leurs conséquences telles que les
instabilités à travers l’exemple de Rodinia et l’épisode de la glaciation Varangienne.
• En 3ème partie on cherchera à valider l’hypothèse par la recherche d’une corrélation
entre les derniers supercontinents connus (Rodinia et Pangée) et les variations de climat
observées.
• En conclusion on montrera que les supercontinents sont des acteurs majeurs dans la
variabilité du climat et que, dans cette hypothèse, la Terre va se refroidir lentement
pendant 200 millions d’années.
On remarquera également que, si l’on parle du climat, la complexité des facteurs est telle
que la modestie s’impose et que, par ailleurs, il est impératif de préciser l’échelle de temps
dont on parle.
2
Les acteurs principaux du climat
- le soleil (forçage externe)
- la chaleur interne (dynamique interne de la Terre)
- la gravité et la densité (tectonique des plaques)
----------------------------------- le cycle de fragmentation / rassemblement des
masses continentales
- le cycle long du carbone
- les plaques et les continents
- les océans
- l’atmosphère
- l’astronomie
- etc
------------------------ le CO2 et le climat résultant
3
1ère partie :
Processus de rassemblement et de
fragmentation des supercontinents et
le cycle long du carbone
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Interactions entre le cycle de Wilson et le cycle long du carbone
•
Le cycle de Wilson rassemble périodiquement toutes les terres émergées en un super
continent et le fragmente ensuite avec une périodicité de 400 millions d’années.
•
En phase de fragmentation des continents une intense activité volcanique rejette dans
l’atmosphère le CO2 prisonnier du manteau et par effet de serre fait augmenter la
température moyenne de la planète.
•
En phase de regroupement des continents, une très forte sédimentation due à l’érosion
intense des montagnes jeunes, combinée à d’autres cycles (biologiques) forment un puits
de carbone avec diminution de l’effet de serre et refroidissement de la planète.
5
Le cycle long du carbone
CO2 atmosphérique
effet de serre
Carbone de matière
organique dans les
sédiments
Enfouissement des
sédiments par subduction
Carbonates dans les
sédiments par érosion et
altération des silicates
Retour du CO2
dans l’atmosphère
par le volcanisme
Enfouissement des
sédiments par subduction
CO2 du manteau
La durée de ce cycle est de 400 Ma.
On va montrer que ce cycle dépend directement du cycle de Wilson, et donc, des supercontinents.
Ces effets sont visibles sur la courbe GEOCARB 2 de Brener.
La variation du taux de CO2 est considérable allant jusqu’à 20 fois le taux actuel avec des excursions de
température de 10 à 20°. Les variations de CO2 ne dépendent pas seulement du cycle long.
D’après planet-terre.ens-Lyon.
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Création des plaques et des continents
milieu froid
Croûte océanique
basaltique
paroi
enfouissement
CO2
hydratation
milieu chaud
Formation de
magma acide
Fig 1
fracture
Fig 2
Naissance de la croûte et des plaques
Avant l’Archéen la Terre est plus chaude qu’actuellement.
La croûte se forme par différenciation de densité et
produit des roches mafiques (mg + fe).
Toute la croûte est basaltique.
Dynamique
On a un milieu froid et un milieu chaud séparés par une
paroi (fig 1).
Le milieu chaud a une source de chaleur interne. C’est un
milieu fermé qui va chercher à échanger avec le milieu
externe ouvert (gradient de température).
Cela engendre de part et d’autre des courants
d’équilibrage des températures. En interne ce sont des
mouvements de convection dans l’asthénosphère.
Les plaques
Ces courants frottent sur la paroi et par effet mécanique
+ fusion la brisent et délimitent des zones : les plaques.
Fig 3
Naissance des continents
Le processus de formation des roches continentales
débute à l’Archéen.
A la convergence, la croûte océanique hydratée
subduque. La courbe du solidus basaltique hydratée
coupe le géotherme et elle fond. La
subduction
entraîne des sédiments porteurs de CO2.
Du fait du déplacement du géotherme (plus froid), les
minéraux sont créés dans un faciès différent de celui
d’avant l’Archéen et la fusion libère un magma plus
acide, donc plus léger qui remonte.
En se refroidissant il s’agglomère et forme les roches
de type andésite (famille des komatiites),principal
constituant de la croûte continentale.
Le processus de formation des continents est
complété par l’effet mécanique des orogenèses dues
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aux collisions de plaques.
Il y a 500 Ma la masse continentale est constituée.
1er processus
2ème processus
Formation d’un supercontinent
Démantèlement du supercontinent
collision
Émission de CO2
soulèvement
Dissipation de chaleur
agglomération
Fig 1
Subduction de
la plaque
Le continent A se déplace avec une plaque
et vient percuter un autre continent B.
Les continents A et B, de densité plus
faible que la plaque, restent en surface
pendant que la plaque subduque.
Suite à la collision, les continents A et B
s’agglomèrent et finissent par former un
ensemble : un supercontinent AB (fig 1).
Exemple actuel d’agglomération: l’ Inde et
la formation de la chaîne himalayenne.
Ecran:
Accumulation de chaleur
Rétention de CO2
fractures
Le super continent AB fait écran thermique et écran pour le CO2.
La conductibilité à travers le continent étant inférieure à celle des
océans, il y a accumulation de chaleur à la partie inférieure
(estimation : + 50° dans le manteau pour les 100 Ma d’existence de
la Pangée). Cette accumulation de chaleur déséquilibre les échanges
d’énergie
accumulation de chaleur + frottement des cellules de
convection et
déplacement à la surface du globe par effet
mécanique. La masse continentale s’échauffe, la densité diminue,
elle se soulève, se fragilise et se brise en morceaux : c’est le
démantèlement. Les fractures forment des rifts continentaux dans
lesquels se mettra en place une activité volcanique permettant la
dissipation de chaleur interne et le retour du CO2 gazeux.
Dans le Pacifique on observe actuellement un déplacement moyen des plaques de 10 cm par an, soit 1000 km en
10 Ma, ou 400 Ma pour parcourir une distance équivalente au tour de la Terre.
les probabilités de collision sont donc considérables.
Les plaques océaniques subduquent et sont constamment recyclées.
Les continents ne sont pas recyclés et se répartissent sans cesse de façon différente à la surface du
globe. Ils sont l’élément stable de la croûte terrestre.
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Cycle de Wilson : rassemblement – démembrement et chronologie
- 800 Ma
rassemblement
supercontinent Rodinia
de 100 à
300 Ma
démembrement
500 Ma
Sibéria,Baltica,Laurentia, Gondwana,etc
- 200 Ma
rassemblement
supercontinent Pangée
Historique des
supers continents
protérozoïque
permien
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Un processus qui continue actuellement: le démembrement
Exemple du rift continental Est Africain
1
Le rift débute sur un point de fragilité : la région de l’Afar.
Cette région se trouve à la limite de 3 plaques : la plaque
africaine, la plaque indoaustralienne et la plaque arabique.
3
2
Cette région constitue une zone d’activité volcanique majeure.
On note les éléments caractérisant un rift en formation :
- un mouvement d’extension
- des volcans qui dissipent de la chaleur et du CO2 comme
le Kilimandjaro ou le Mont Kenya
Zone de volcanisme
intense
- un fossé d’effondrement de 6000 km de longueur sur 50
km de largeur avec de grands lacs
Erta Ale, Dallol etc
- un début d’océanisation.
Kilimandjaro
Ol Doinyo Lengaï
Mt Kenya
etc
15 mm/an
La divergence est de 15mm à la partie Nord et nulle à
l’extrémité Sud comme si le bloc pivotait autour d’un point.
Le rift a commencé à s’ouvrir au Miocène, il y a environ
15 Ma, comme en témoignent les sédiments continentaux
accumulés dans la zone des lacs.
On peut imaginer que dans quelques années la partie
orientale de l’Afrique deviendra une île.
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Un processus qui continue : remembrement
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2ème partie :
Combinaisons de cycles influant sur la
variabilité du climat
Exemple de Rodinia et de la planète boule
de glace
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Variations climatiques
Influence paléogéographique
Reconstitution paléogéographique au Silurien
équateur
pôle sud
Position des continents par rapport aux pôles et à l’équateur.
Cela impacte les grands changements climatiques : le positionnement des continents modifie les conditions
d’ensoleillement :
– conditions albédo au niveau équateur : glace de mer à partir de 30° de latitude
impact très important
(exemple : épisode boule de glace de Rodinia).
Exemple local
au Carbonifère l’Europe était sous les tropiques.
Le fossé d’effondrement du Reyran (Esterel) était soumis à un climat tropical que l’on peut retrouver à la mine
de charbon de Bonson juste à l’aval du barrage de Malpasset.
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Influence sur le climat
Influence structurelle
Gulf Stream
Modification conditions ensoleillement (albédo)
suite à la position du continent / équateur ou pôles
?
Influence de la morphologie sur le climat
- les collisions forment des chaînes de montagnes qui modifient les circulations atmosphériques (pluies, sécheresse)
- la distribution spatiale des obstacles terrestres et océaniques est variable :
circulations océaniques et atmosphériques.
obstacles
modifications des
Exemple : les blocs Amérique et Afrique forment une barrière qui permet l’établissement d’une gyre anticyclonique
création du Gulf Stream. Si pas d’Amérique
pas de Gulf Stream.
Cas du super continent
- grandes surfaces arides par « effet continental »
- la surface des océans augmente
régulation thermique plus grande
- présence ou non de masses continentales aux pôles ou à l’équateur : rôle considérable dans la régulation climatique
- etc
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Exemple de mécanisme d’interaction sur le climat par fragmentation d’un supercontinent
Episode de fragmentation de Rodinia et glaciation «Terre boule de glace»
700 Ma : Rodinia
Centré sur l’équateur ( 60° N et Sud )
Fragmentation de Rodinia
augmentation des sources d’humidité
L’érosion du basalte
consomme 8 fois plus de
CO2 qu’une surface
granitique.
Érosion importante des silicates :
absorption du CO2
augmentation du volcanisme
interaction
Augmentation du volcanisme
émission de CO2
Actions
rétroactions
Consommation de carbone pour la formation de
carbonates sédimentaires : puits de CO2
Franchissement du seuil
critique de stabilité :
si glace de mer à 30°
latitude
instabilité du climat
(d’après GEOCLIM, CNRS)
Constantes de temps : les
rétroactions n’ ont pas le
temps d’agir
Chute brutale du CO2 atmosphérique
disparition effet de serre
Valeur actuelle : 300 ppm
De -610 à -580 Ma : refroidissement important (- 50°)
glaciation «boule de glace» (glaciation Varangienne)
Exemple ponctuel où l’interaction absorption – émission de CO2 a été dominée par l’absorption en raison de
l’érosion importante initiée par un ruissellement important (pluies abondantes genre mousson) dû à la position
de RODINIA sous l’équateur
Le cycle du CO2 dépend de la tectonique des plaques.
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Courbe GEOCARB : relations entre teneur CO2 et température
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Complexité des cycles : actions, rétroactions et combinaisons.
Importance de la tectonique
Cycle N
cycle long CO2
Cycle N-
?
Pour chaque cycle:action
rétroactions + ou -
Tectonique
humidité érosion
captage CO2
Subduction
Émission CO2
par volcanisme
Extrême
complexité
Cycle N+1
géographique
Cycle N+2
cycle court CO2
Tectonique
Position
géographique:
impact sur
l’ensoleillement
Biochimique
captage et
émission de CO2
par les
bactéries
Cycle N+ 3
Astronomique
Cycle N + 4
Milankovitch
Astronomique
Variation du
bilan
énergétique
Etc
Variations de
l’activité
solaire
Combinaison des cycles entre eux
+ Climat à une époque donnée
Le climat à une époque donnée est la résultante de la combinaison
de l’ensemble des cycles
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Composantes de cycles et instabilités
Le climat à un moment donné est le résultat de la somme algébrique de toutes les
interactions entre les cycles.
Il conviendra donc de bien différencier :
- Les cycles principaux, autonomes et non influençables.
Ex : le cycle long du carbone dû à la tectonique des plaques, les cycles de Milankovitch
suite aux cycles astronomiques, la variabilité de l’activité solaire, etc.
Ils sont les fondamentaux de la variation du climat.
-Les cycles contingents, influencés directement ou indirectement par les combinaisons
de cycles.
Leurs effets peuvent se cumuler ou s’annuler, la résultante être forte ou négligeable.
Ex : Soit la chaîne simple suivante : supposons que l’effet de serre augmente
augmentation de la température de la mer
développement des coraux qui absorbent le
CO2
diminution de l’effet de serre.
Le résultat dépendra principalement de la vitesse de variation de l’effet de serre initial,
de la vitesse d’absorption du CO2 par les coraux, du temps nécessaire au corail pour
fixer le CO2, de la quantité de corail existant, etc .
Pour illustrer cette complexité, on pourrait ajouter que la quantité de corail dépend de la
surface des mers tropicales qui elle-même dépend de la tectonique, etc etc.
- Les instabilités, qui sont statistiquement la résultante de la combinaison de différents
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paramètres dans la boucle de régulation globale.
Instabilité
Une instabilité apparaît si un phénomène s’auto-alimente sans contre réaction.
Ex : la glace de mer s’installe sur les pôles, jusqu’aux tropiques
à partir d’un
moment l’albédo augmente de + en + suite à la variation de l’incidence des rayons du
soleil.
Si l’albédo augmente, l’effet de serre diminue et la planète se refroidit. Et plus elle
se refroidit, plus la glace avance vers l’équateur et plus l’albédo augmente et plus il
fait froid et ainsi de suite.
Dans ce cas c’est une spirale divergente plus rapide que les contre réactions
existantes, qui ne s’arrêtera que lorsque l’effet s’annulera de lui-même (ex : de la
glace sur toute la planète) et/ou un autre cycle aura le temps de produire un effet
(fragmentation et CO2 des volcans).
Une instabilité est vue comme un régime transitoire car il y a toujours retour à
l’équilibre.
Actuellement le gradient d’évolution du carbone est le plus grand jamais observé.
Que va-t-il se passer ?
L’effet de serre va-t-il s’emballer ou bien une contre réaction va-t-elle se
manifester pour ramener le système à un point d’équilibre ?
Ou bien va-t-on à court terme vers un épisode planète brûlante (ce qui est déjà
arrivé) ?.
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Boucle de régulation
Exemple d’une boucle
Soit l’effet suivant : la variation du taux
de CO2 fait varier la température de la
planète (effet de serre).
1
2
Le lien entre taux de CO2 et variation
de température s’appelle une fonction de
transfert représentée par «T» dans le
schéma.
3
Une boucle de régulation formalise les effets d’un phénomène.
On peut schématiser différents cas de fonctionnement par les exemples suivants :
Cas n° 1 : le taux de CO2 augmente, la température aussi mais avec un retard : c’est le cas normal.
Cas n° 2 : le taux de CO2 augmente, mais la température est en avance : c’est un déphasage.
Ex : à un endroit donné la température de l’eau de mer augmente toujours un peu avant la variation de CO2.
En fait cela provient du fait que la variation mesurée du CO2 a été retardée par un autre phénomène à identifier.
Cas n° 3 : le taux de CO2 varie normalement mais, à un instant donné, on a un fort dépassement et un retour à l’équilibre
après un temps court : c’est un régime transitoire.
Ex : pendant une phase de réchauffement de la planète, on a une glaciation par Milankovitch (cas inverse du croquis).
Ce genre de phénomène se représente par une boucle de régulation.
En «entrée» à gauche on a l’effet initiateur (la variation de CO2), ensuite une fonction de transfert T qui transforme la
variation de CO2 en effet de serre et en effet de sortie on aura la variation de température.
La boucle de retour C est importante. Si la température n’agit pas sur le CO2 on a un effet stable. Si la température
ajoute du CO2, l’effet de sortie est augmenté : la température augmente plus vite. Si la température diminue le CO2,
l’effet de sortie est freiné : la température augmente moins vite.
On a représenté une boucle élémentaire. On peut les combiner à l’infini pour représenter un phénomène global.
La variation de la température de la planète suite au cycle de Wilson peut se représenter de cette façon mais de
manière complexe. Dans ce cas la variation du CO2 provient du volcanisme suite à la fragmentation des continents.
A: Taux de CO2
+ -
T
B: T° de la planète
C: boucle de retour
T
effet augmenté
effet stable
effet de diminution
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Observations sur l’analyse du climat
Définition des fondamentaux du climat, en particulier :
- un forçage externe : émission d’énergie par le Soleil et distribution sur la Terre,
- un forçage interne géologique : paramètres radiatifs, albédo, énergie tellurique,
puits de CO2, volcanisme, altération chimique des roches et émission de CO2,
tectonique des plaques des supercontinents avec le cycle long du CO2, etc
- un forçage interne géographique : positionnement géographique des continents,
géométrie des continents, etc
Il y a un grand nombre de cycles de nature, d’intensité et de réactivité différentes
dont les combinaisons sont multiples et difficilement identifiables.
Extrême
complexité
Les forçages, rétroactions et combinaisons doivent être analysés avec leurs
paramètres propres : intensité, signe algébrique, périodicité, constante de temps, etc.
Des évolutions fortes peuvent amener des instabilités du climat non corrigeables en
temps réel par les rétroactivités : il y a divergence et instabilité.
Exemples : - planète de glace de Rodinia (événement avéré)
- très fort gradient actuel d’évolution du CO2 (risque redouté).
Il est très important dans l’analyse des climats à une époque donnée de bien prendre
en compte la durée de la période considérée par rapport au cycle principal sous peine
d’erreurs grossières par interférence d’actions des cycles entre eux.
Le climat sur une courte période n’est pas représentatif d’une évolution globale.
Difficulté majeure : savoir de quel climat on parle et à quelle échelle de temps.
Prudence et modestie s’imposent.
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3ème partie
Essai de corrélation entre le cycle de
Wilson et les observations climatiques
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A. Éléments factuels connus à relier avec la tectonique des supercontinents
Rodinia
Date : 800 Ma
Pangée
Date : 300 Ma
Rassemblement et fragmentation de Rodinia et de Pangée
Grands épisodes volcaniques (trapps)
Existe-t–il un lien entre les
événements A et B ?
B. Constat de l’évolution du climat (CO2) pendant cette période
Évolution de la teneur en CO2
et de la température depuis
le Cambrien
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Éléments factuels entre les supercontinents et le climat
Rétroaction igloo
par H2O
serre
serre
igloo
serre
igloo
T°
Courbes
Géocarb
Émission
CO2
Rétention
CO2
Absorption
bio
Niveau actuel
CO2 = 340 ppm.
Épisode
volcanique CAMP
CO2 courbe
Géocarb II
Rodinia « boule de glace »
CO2 = 250 ppm (géoclim)
Rodinia
Pré cambrien
Pangée
Paléozoïque
Émission
CO2
Fragmentation
de Pangée
Rétention CO2
Absorption
sédimentaire.
Mésozoïque
Note : les incertitudes affectant les dates des événements et la marge d’erreur dans les courbes CO2 et température
doivent être prises en compte.
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Essai de corrélation entre les supercontinents et le climat
On connaît :
- la chronologie de la fragmentation de Rodinia et de Pangée
- l’évolution de la teneur en CO2 et donc de la température pendant cette période par la courbe GEOCARB
- la date d’événements volcaniques majeurs : CAMP (Central Atlantique Magmatique Province) correspondant à la
fragmentation du bloc Afrique – Amérique (épisode considérable) et aussi la date du trapp de Sibérie qui lui est
antérieure.
On peut donc vérifier si les événements coïncident.
Sur le diagramme on constate que :
- la fragmentation de Rodinia correspond à la 1ére augmentation de CO2 (réchauffement
- la fragmentation de Pangée correspond à la 2ème augmentation de CO2 (idem)
- les épisodes de CAMP et Sibérie correspondent à la fragmentation de Pangée
- les épisodes de rassemblement correspondent approximativement à la chute de CO2.
Ce qui semble valider l’hypothèse de l’existence d’un lien entre la fragmentation d’un supercontinent et le climat.
Il faut noter qu’il existe des incertitudes importantes sur les dates et lier les températures, le CO2 et la tectonique
des plaques induit nécessairement des écarts.
Par ailleurs il faut tenir compte de la position géographique des continents qui modifie les effets de manière
importante. Le modèle GEOCLIM déjà évoqué est fondé sur ce fait. Par exemple le ruissellement et donc l’érosion
seront plus importants si le supercontinent est en zone tropicale (exemple actuel : érosion de l’Everest).
La chute rapide du CO2 peut être reliée à d’autres événements :
- après Rodinia : le développement des bactéries, productrices de O2, et des stromatolites, grandes consommatrices
de CO2, ce qui peut expliquer la chute du CO2.
- après Pangée : une sédimentation importante, grande consommatrice de CO2.
Une rétroaction secondaire existe entre les périodes «igloo» et «serre» par H2O (humidité de l’atmosphère).
En période «serre» il y a plus d’humidité, donc davantage de dissolution chimique, donc plus de captage de CO2 et
diminution de l’effet de serre alors que H2O participe à l’effet de serre.
En période «igloo» le phénomène est inverse et provoque une augmentation de l’effet de serre.
C’est une rétroaction négative mais d’un ordre inférieur au phénomène principal du volcanisme. Tous ces phénomènes
doivent être pris en compte dans l’interaction des cycles, ce qui justifie le terme employé : extrême complexité. 25
CONCLUSIONS
Le climat de la Terre à un moment donné est la résultante de la combinaison d’un grand nombre de cycles différents et
de leurs actions et rétroactions.
Ce
fonctionnement est directement assimilable à la boucle de régulation d’un processus industriel.
Si la corrélation est exacte, alors on aura montré que les grandes tendances endogènes du climat
de la Terre dépendent directement du rassemblement et de la fragmentation des supercontinents
(cycle de Wilson) par l’intermédiaire du cycle long du carbone.
Actuellement on est en fin de fragmentation de la Pangée (corne de l’Afrique) et au début du
rassemblement (Inde) du futur supercontinent.
Par conséquent, le niveau de CO2 va progressivement baisser et le climat de la Terre va se
refroidir pendant 200 millions d’années avant de recommencer à se réchauffer pendant 200 Ma.
Cela montre que le cycle de Wilson est l’acteur principal du climat car, sur la durée d’un cycle, il
supplante par ses effets tous les autres cycles, principaux ou contingents (cf courbe de Brener).
Mais si, par exemple,le gradient du CO2 observé actuellement est suffisamment important et
continue de croître sans contre réaction puissante, alors il pourra provoquer une déstabilisation
forte avec des conséquences imprévisibles dans un temps très court. Mais ce sera en régime
transitoire.
Quand on parle du climat ne jamais oublier les échelles de temps (immédiat,géologique, etc).
Réflexion
L’extrême complexité de la dynamique du climat impose d’appréhender le problème par ses aspects généraux, avec une
méthodologie rigoureuse (c’est ce que j’ai essayé de faire), sous peine d’affirmer des âneries (et j’espère qu’il n’ y en a
pas trop).
Information
Des équipes du CNRS et du CEA viennent de proposer (mars 2008) le modèle GEOCLIM qui permet de coupler
l’évolution du cycle du carbone, du climat et la position des continents.
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GEOCLIM permet d’expliquer la glaciation «boule de glace» de Rodinia.
Références externes de la Fac de Nice
Genèse et origine de la croûte Continentale :
http://christian.nicollet.free.fr/page/enseignement/LicenceSN/crouteCont.html
CO2 atmosphérique et température :
http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/XML/DB/planetterre/metadata/
Cycles biogéochimiques : perspective historique
Planète « boule de neige » CNRS Presse
Géoclim
http://www2.cnrs.fr/presse/communique/443.htm
Université de Laval
http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/S4
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