Le rôle de la tectonique des plaques sur le climat

Le rôle de la tectonique des plaques sur le climat
Leçon d’option –Secteur C – agrégation
Proposition de plan par : Mathieu Rodriguez, Agrégé préparateur, Ens
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Introduction :
L’idée de liens entre climat et tectonique émerge dès les prémices de la théorie de la dérive
des continents, dans une publication par Wegener et Köppen dès 1924.
La théorie de la tectonique des plaques a pour objet les mouvements horizontaux et verticaux
des plaques lithosphériques, sous l’effet des forces aux limites de plaques et des forces de
volume. La mobilité des plaques est la conséquence de la gravité (traction du slab au niveau
des zones de subduction, forces de volume) et de la dissipation du flux de chaleur interne.
Le terme climat dérive du mot grec signifiant ‘incliné’. L’inclinaison de l’axe de rotation de la
terre par rapport au plan de l’écliptique, de l’ordre de 23°, influe sur l’insolation et ainsi sur la
quantité d’énergie reçue en fonction de la latitude. En météorologie, le climat est défini par
l’évolution annuelle des précipitations et de la température sur une région donnée
(diagramme ombrothermique).
Les grandes ceintures climatiques actuelles correspondent aux grands biomes (climat tempéré,
continental, océanique, aride…). La distribution de la végétation reflète le climat. Une
caractéristique du climat actuel est la présence de glaciers aux deux pôles. Il s’agit d’une
situation irrégulière dans l’histoire de la Terre, seules 5 grandes époques glaciaires ayant été
reconnues (Huronienne, ~2.3 Ga ; ‘terre boule de neige’ entre 600 et 900 Ma ; glaciation
ordovicienne, glaciation Permo-Carbonifère, et Cénozoïque-Quaternaire). La présence de
calottes résulterait de la conjonction de conditions climatiques et tectoniques particulières,
qu’il s’agit de déterminer.
La Terre est actuellement le siège de changements climatiques (augmentation de l’effet de
serre, et de la température globale au cours de l’ère industrielle ; augmentation générale du
niveau eustatique…). Il n’existe pas de corrélation entre les changements climatiques initiés
au cours des derniers siècles et le mouvement instantané des plaques, tel que mesuré par le
GPS. Les montagnes agissent à la façon de barrières topographiques sur la circulation
atmosphérique, et contrôlent la distribution des précipitations (système Himalaya-Mousson ;
Andes-El Nino). De façon transitoire, une éruption volcanique peut influencer le climat sur
quelques mois/années, les aérosols libérés dans l’atmosphère lors des éruptions volcaniques
affectant l’effet de serre et le bilan radiatif de la Terre (ex. Laki, Islande, 1786 ; Krakatau,
Indonésie, 1883). Les changements climatiques au cours du dernier cycle glaciaire-
interglaciaire ont eu lieu sans qu’aucun changement cinématique significatif n’ait été détecté.
L’histoire récente de la Terre (~derniers 100 000 ans), telle que nous la connaissons, ne
semble pas indiquer de relation claire et durable entre la dynamique de la terre solide et la

dynamique atmosphérique/océanique … Mais qu’en est-il si on regarde au-delà, sur une
échelle de temps plus étendue, de l’ordre du million d’années?
Les interactions entre tectonique et climat sont complexes. Il ne s’agit pas ici d’évoquer dans
les détails comment le climat (et les différents agents érosifs qu’il contrôle) influence les
processus tectoniques, mais de se concentrer exclusivement sur le rôle des processus
tectoniques sur l’évolution climatique. Il est cependant difficile de discriminer dans certains
cas si un changement climatique est à l’origine d’un changement tectonique, ou l’inverse.
Discuter ces limites est un point important de la leçon.
Problématique :
Est-ce que les changements climatiques à l’échelle du million d’années sont contrôlés par la
tectonique des plaques ? Comment la tectonique des plaques peut-elle influencer le climat
(par quels processus ; influence directe de la tectonique sur le climat ; influence indirecte de la
tectonique sur le climat) ? Nous limitons ici le sujet au Phanérozoïque, avec une brève
incursion à la fin du Protérozoïque pour discuter de l’hypothèse de la Terre ‘Boule de Neige’.
Démarche :
Dans un premier temps nous identifierons les principaux changements climatiques qui se sont
succédé au cours du Phanérozoïque, à partir de quelques proxies clefs. Après avoir expliqué
comment le paléomagnétisme permet d’établir des reconstructions paléogéographiques, nous
chercherons à identifier les phénomènes associés à la tectonique des plaques, contemporains
ou proches dans le temps des changements climatiques identifiés au préalable. La
contemporanéité entre des processus tectoniques et climatiques majeurs suggère un lien de
cause à effet, qu’il faut cependant remettre systématiquement en question, l’enregistrement de
tels épisodes géologiques autorisant bien souvent plusieurs interprétations.
!!! Prendre garde à toujours préciser l’âge des évènements mentionnés, et la durée des effets
de la tectonique sur le climat, surtout concernant le volcanisme !!!
1. Reconstructions paléoclimatiques et paléogéographiques : à la recherche de
relations temporelles entre tectonique et climat
A- Reconstruction des climats passés, à l’échelle du Phanérozoïque
-Rappel du principe du δ18O : le fractionnement des isotopes de l’Oxygène est fonction des
variations de la température. Utilisation des foraminifères benthiques pour reconstructions
paléoclimatiques à l’échelle du Cénozoïque/Mésozoïque. L’augmentation du δ18O des
benthiques correspond à une diminution de la température.
-Courbe de la variation du δ18O au cours du Phanérozoïque : Identification d’un
refroidissement global au cours du Cénozoïque, dès 30-35 Ma, δ18O des benthiques augmente
de -1 à 5.
En 65 MA: augmentation (alourdissement) de 5.8 ‰du δ 18O:
3.1 ‰: refroidissement des eaux de fond
1.2 ‰: développement inlandsis en Antarctique

1.1 ‰: développement inlandsis dans l’hémisphère nord
Le refroidissement Cénozoïque vu par les isotopes de l’oxygène et du carbone
-Concentration en CO2 ; multitude de proxies : degré de saturation des alkénones, indice
stomatique, variations du δ13C de la matière organique et des carbonates, modèles GCM…
(Indice stomatique = nombre de stomates/nombre de cellules épidermiques : diminue avec
l’augm. du CO2 atm)
-Identification d’une chute du CO2 durant le Paléozoïque et durant le Cénozoïque.
Augmentation du CO2 durant le Crétacé supérieur. A la fin du Crétacé, la valeur du CO2 atm
était de 5000 ppm ; la valeur actuelle est de ~400 ppm (280 ppm avant industrialisation).
Au tableau : courbes simplifiées de l’évolution du δ18O et du CO2 au cours du Phanérozoïque

Evolution du CO2 atm au Cénozoïque et au Phanérozoïque. Chutes du CO2 contemporaines
des orogènes.
B- Reconstructions paléogéographiques : le paléomagnétisme.
- Le principe de l'interprétation des anomalies magnétiques a été établi à partir de mesures
réalisées au niveau de la dorsale de Carlsberg par Vine et Matthews. Il est le suivant : les
basaltes sont émis au niveau de l'axe de la dorsale, se solidifient et cristallisent rapidement au
contact de l’eau et acquièrent une aimantation (liée à leurs minéraux ferro-magnésiens), qui
enregistre la polarité du champ magnétique terrestre au moment de leur formation. Le
plancher océanique est ensuite repoussé de part et d’autre de la dorsale quand du nouveau
magma arrive en surface, à l’axe de la dorsale. Le champ magnétique terrestre subit des
inversions de façon irrégulière au cours du temps. Ces inversions sont fossilisées par le
plancher océanique, et induisent des anomalies du champ magnétique par rapport au champ
actuel. Les inversions de polarité ont été datées par des forages (étude de l’âge des sédiments
recouvrant le plancher) et des datations radio-chronologiques des basaltes et fournissent un
calendrier de l’ouverture des océans. Les profils d'anomalies magnétiques et les cartes des
fonds océaniques permettent ainsi de reconstituer la géométrie des dorsales à un moment
donné, et de déduire certains paramètres du mouvement relatif entre deux plaques (migration
du pôle de rotation, taux d'ouverture océaniques et asymétrie de l'accrétion).
-Les études de paléomagnétisme des roches permettent aussi de retrouver les anciennes
latitudes d'un continent, avec cependant de plus fortes incertitudes par rapport aux anomalies
magnétiques du plancher océanique. Au-delà de 180 Ma, le paléomagnétisme est la seule
méthode pour contraindre la position des continents. Les sédiments détritiques contiennent
eux aussi des minéraux ferro-magnésiens capables de fossiliser le champ magnétique au
moment de leur formation. La mesure de l’inclinaison du champ magnétique fossile permet
d’avoir accès à la paléolatitude du milieu de dépôt, selon la relation tan (inclinaison) = 2 tan
(latitude). En revanche, il est difficile de contraindre les paléo-longitudes. Les incertitudes
dans les estimations des paléo-latitudes varient de 1 à plusieurs dizaines de degré de latitude,

selon la qualité de l’enregistrement paléomagnétique. Ainsi, il existe une incertitude de 500 à
1000 km sur la position de l’Inde avant sa collision avec l’Eurasie, ce qui a de fortes
implications sur les scénarios de convergence Inde-Eurasie, et le timing précis de la collision
en particulier.
-Au cours du Phanérozoïque, 2 cycles de Wilson majeurs (i.e. ouverture, fermeture océan,
orogène sur ~500 Ma) ; correspondant à la fragmentation du supercontinent Rodinia pour le
Paléozoïque, et la fragmentation de la Pangée pour le Mésozoïque et le Tertiaire. Episodes de
formation de chaînes de montagnes autour de 300-400 Ma ; et au Cénozoïque, avec la
fermeture de la Neotéthys et de ses branches.
Au tableau : indiquer périodes d’ouverture des océans et périodes d’orogenèse, avec un code
de couleur différent
C- Datations des provinces magmatiques géantes
-Principe de la radiochronologie (K/Ar ; Rb/ Sr) : la désintégration des éléments radioactifs
depuis la fermeture du système considéré est fonction du temps.
-Identification de plusieurs épisodes de volcanisme intense : trapps de Sibérie, Deccan,
Provinces magmatiques géantes du Parana/ Etendeka ; Otong-Java… Episodes Crétacé
essentiellement, forte dissipation du flux de chaleur.
Au tableau : indiquer les épisodes magmatiques principaux