Tectonique, paramètres orbitaux et expansion thermique

BULLETIN
DE
L’UNION
DES
PHYSICIENS
1709
Tectonique, paramètres orbitaux
et expansion thermique
Quelques aspects sur les variations des niveaux marins anciens et récents
par Martin DAIGNEAULT
École des Mines - 42023 Saint-Étienne Cedex 2
[email protected]
RÉSUMÉ
Dans l’histoire de la Terre, les variations du niveau des océans ont été nombreuses.
Cependant, aux cours des temps géologiques, ces changements ont été d’intensité
variable selon, notamment, les causes auxquelles ils sont liés. Ainsi, si les variations
anciennes sont pour une large part liées à la tectonique des plaques, les variations plus
récentes sont essentiellement liées aux variations des paramètres orbitaux qui déterminent l’insolation aux hautes latitudes ainsi qu’à l’expansion thermique des océans. Dans
cette note, on présente une synthèse brève sur ces causes en montrant comment elles
interviennent sur l’évolution du niveau marin.
INTRODUCTION
Les changements environnementaux à l’échelle du globe, notamment pour ce qui
concerne les variations du niveau marin, la submersion des terres côtières ou l’érosion
des littoraux, ont fait l’objet depuis quelques années d’études exhaustives. Par ailleurs,
dans un contexte plus large - à l’échelle géologique - l’étude des registres sédimentaires
sub-récents (depuis le début du Quaternaire) démontre que les fluctuations du niveau
marin et de la position des traits de côtes ont été considérables [1-2]. Depuis le début de
l’ère glaciaire, il y a environ 2,5 millions d’années, les lignes côtières ont connu des
périodes d’avancée et de recul liées, notamment, au développement de calottes glaciaires
circumpolaires dans l’hémisphère nord [3]. BERGER [4-5-6] a démontré que de telles fluctuations ne sont pas arbitraires. Elles sont liées, presque essentiellement, à la variation
quasi-cyclique des paramètres orbitaux qui déterminent l’insolation à la surface du globe,
particulièrement aux hautes latitudes [7]. En particulier, BLOOM [8-9] a estimé que le
niveau marin moyen, lors du dernier maximum glaciaire (à 18 ka : il y a 18 000 ans) était
inférieur d’environ 110 mètres, par rapport à l’actuel. Après cette date, le réchauffement
s’est accentué et le niveau marin s’est élevé, parfois brusquement, en relation avec la
fonte des glaces et la vidange des lacs continentaux. Entre 18 ka et 5 ka, le niveau du
relèvement eustatique atteignait, en moyenne, 6 à 8 mm/an [10]. Depuis 5 000 ans ce
relèvement est nettement plus faible : 2,4 mm/an en moyenne [11]. La submersion des
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terres côtières se poursuit. Cependant, l’intensité du phénomène est variable selon les différentes régions du globe et la vitesse du rajustement glacio-isostatique [12]. Par ailleurs,
il n’est pas exclu que le rôle de l’homme dans le réchauffement actuel de la planète
accentue ce phénomène, en particulier pour ce qui concerne sa contribution à la production de gaz à effet de serre. Or, pour l’heure, la part de l’homme est difficile à évaluer
[13]. Enfin, en remontant plus loin encore (e.g. + de 100 millions d’années) on constate
que des variations de grande ampleur ont aussi eu lieu. Elles sont liées à des processus
géodynamiques responsables de la variation géométrique des bassins océaniques [14].
TECTONIQUE ET FLUCTUATIONS MARINES ANCIENNES
À l’échelle du globe, tout comme à l’échelle géologique, on reconnaît que les fluctuations du niveau marin sont essentiellement liées à la dynamique des rides médio-océaniques (i.e. les dorsales). À cet effet, plusieurs évidences de variations du niveau marin,
remontant parfois jusqu’au Précambrien ont été démontrées (+ de 600 millions d’années).
Ainsi, en période d’activité tectonique intense, le volume des dorsales, sous l’effet d’apport magmatique, augmente : la géométrie 3D des bassins se voit modifiée (cf. figure 1).
Selon la configuration des bassins, des variations eustatiques peuvent alors avoir lieu [14].
À l’inverse, en période de stabilité tectonique, une relative constance du niveau marin
s’instaure. Notamment, au Mésozoïque, le gonflement de la ride Sud-Atlantique, au
moment de la rupture entre l’Afrique et l’Amérique du Sud, provoqua une transgression
majeure sur l’ensemble des zones côtières. Plus tard, entre 65 Ma et 30 Ma (1 Ma : un
million d’années), le niveau marin, bien que toujours fluctuant, atteignit à quelques reprises
des niveaux supérieurs à deux cents mètres par rapport à l’Actuel. Puis, à 30 Ma celui-ci
chuta brusquement jusqu’à atteindre – 100 m par rapport à l’Actuel [1]. Outre le gonflement des rides en périodes d’activité tectonique intense, certaines fluctuations, d’ordres de
grandeurs moins importants, ont été associées à des collisions continentales, des affaissements de portions de rides ou des variations dans le taux sédimentation océanique [14].
Leurs impacts sont toutefois moindres, plus localisés et ponctuels.
Figure 1 : Variation du niveau d’eau selon la géométrie des bassins.
Ride basse/niveau d’eau bas, ride élevée/niveau d’eau élevé.
LES VARIATIONS RÉCENTES
Plus récemment dans l’histoire géologique, en particulier au Quaternaire, la Terre a
connu des alternances de périodes froides et chaudes (Ère glaciaire). L’effet d’échange
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de volumes d’eau entre les glaciers continentaux et la mer (cf. figure 2), lié aux variations du bilan radiatif, vint s’ajouter à l’activité tectonique rendant compte, cette fois, de
fluctuations cycliques [8, 15]. Ainsi, au moment des maximums glaciaires, des Inlandsis
ont envahi des portions considérables de l’hémisphère nord (l’Europe du Nord et le
Canada jusqu’au nord des États-Unis). À la faveur d’épisodes plus chauds (i.e. stades
interglaciaires), ces glaciers, continentaux ou marins, se sont retirés jusqu’à atteindre des
positions près de l’Actuel : à proximité du pôle. Pour l’heure, on reconnaît trois paramètres astronomiques à la source de ces fluctuations : l’excentricité, qui rend compte des
différentes orbites de la Terre autour du Soleil (certaines étant plus elliptiques que
d’autres), la précession, qui représente le mouvement qu’effectue la Terre autour de son
axe (un cône) et l’obliquité, une variation de plus ou moins deux degrés de l’axe de rotation par rapport à l’écliptique (entre 21,8° et 24,4° ; cf. figure 3) [7].
Figure 2 : Bilan d’eau entre glaciers continentaux (Inlandsis) et océan.
En périodes glaciaires une large part des précipitations, en grande partie d’origine océanique, est stockée
sous forme de glace sur les continents. Lors des stades interglaciaires, l’eau via les fleuves et les rivières
revient à sa source.
Figure 3 : Paramètres orbitaux qui déterminent les variations de l’insolation à la surface du globe.
Lorsque la Terre se trouve au point le plus éloigné du Soleil (en aphélie), que son
axe de rotation fait un angle de 24,4° par rapport à l’écliptique (maximum calculé), que
l’été se trouve en aphélie et l’hiver en périhélie (point le plus près du Soleil), le bilan
radiatif chute, l’englacement continental débute. Une telle situation se produit à peu près
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tous les 100 000 ans [4-5-6]. Les hivers chauds, en périhélie, favorisent les précipitations
aux hautes latitudes (sous forme de neige), les étés froids ne favorisent pas la fonte des
neiges. Par ailleurs, l’albédo de la neige étant plus élevé que celle des sols ou de la végétation, une grande part de l’énergie solaire se voit réfléchie vers l’atmosphère. Les températures au sol chutent.
Les variations du bilan radiatif provoquent une suite de répercussions dont les
impacts sont ressentis au niveau planétaire. Par exemple, l’augmentation du volume des
glaces continentales provoque l’enfoncement des continents : une situation qui rend
compte, dans l’hémisphère nord, de la submersion des zones côtières et des basses terres
[12]. Cette subsidence (S) est cependant variable puisque fonction des caractéristiques
locales : l’épaisseur du glacier (h), la densité de la glace (ρglace) et la densité de la croûte
continentale (ρcroute) :
Jρ N
glace
O
S = hglace KK
ρcroute O
L
P
En Amérique du Nord, où la calotte s’étendit le plus au Sud, la subsidence atteignit
un tiers de l’épaisseur de glace (hmaximum : 3 km). Au moment du retrait, l’invasion marine
donna naissance à de vastes mers intérieures. Actuellement, et depuis quelques milliers
d’années, ces masses continentales sont en ré-émergence. Les vitesses de ce réajustement
sont variables selon le lieu et la nature du socle (en moyenne entre 1 et 10 mm par an).
Elle peut être imperceptible ou difficilement quantifiable. C’est le cas lorsque la vitesse
du relèvement isostatique est en phase avec celui du niveau marin. On se trouve alors en
apparence de stabilité [16].
Parallèlement, dans l’Atlantique nord, la progression vers le sud des glaces de mer
perturbe la grande circulation thermohaline des océans : le sens des courants marins
chauds en provenance de l’équateur est modifié. Le transfert de chaleur de l’équateur vers
le pôle (situation actuelle) est bloqué [17-18-19].
Inversement, lorsque l’orbite terrestre décrit une orbite plus circulaire, que l’axe de
rotation est de 21,8° par rapport à l’écliptique et que c’est l’été en périhélie et l’hiver en
aphélie, le bilan radiatif augmente dans l’hémisphère nord [4-5-6]. Les inlandsis régressent, libérant du coup de vastes superficies de terre. Le niveau des océans augmente.
Les variations orbitales engendrent des boucles de rétroactions complexes, dont on
n’a pas fait l’inventaire ici, qui rendent compte d’alternances de périodes glaciaires et
interglaciaires [20]. Elles gouvernent, pour une large part, les oscillations du niveau marin
au Quaternaire.
LES VARIATIONS DEPUIS 1900
Actuellement, on observe une tendance globale au réchauffement de la planète,
peut-être liée à l’effet de serre d’origine anthropique, notamment pour tout ce qui
concerne les émissions massives de CO2, de CH4 et de NOx. Les conséquences d’une telle
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augmentation de température sont nombreuses : fonte des calottes polaires, expansion
thermique des océans, fonte des glaciers alpins et sécheresse. Tous des phénomènes qui
contribuent, selon différentes intensités aux variations du niveau marin. Pour l’heure, sur
la base de nombreuses stations marégraphiques, on note une augmentation moyenne du
niveau marin mondial se situant entre 1 et 2 mm par an [21]. Toutefois, on constate une
grande variabilité régionale.
À titre indicatif, depuis environ l’année 1900, notamment dans le port de Brest, on
a observé une augmentation du niveau marin de 1,6 mm par an (cf. figure 4, [22]). Dans
le cas où cette augmentation se poursuivrait (et on ne voit pas très bien comment cela en
serait autrement) cette situation pourrait s’avérer catastrophique. Notons que 20 % de la
population mondiale vit à moins de trois mètres d’altitude (10 % de la population française est concernée par ce problème, [21]). Cependant, pour la même période dans la mer
Baltique, on a noté une diminution de 1 mm par an : une situation que l’on associe, selon
toute vraisemblance, aux variations isostatiques du socle [23].
Figure 4
a) Variations du niveau marin dans le port de Brest. Ces courbes font état de nombreuses variations.
b) Variations relatives du niveau marin au cours du dernier million d’années. Cette courbe a été obtenue
sur la base d’analyses de rapport isotopique 18O/16O [22].
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Pour l’heure, c’est l’IPCC (Intergovernmental panel on climate change, [24]) qui a
mandat de faire la synthèse des connaissances liées aux fluctuations des niveaux marins
actuels et futurs. À cette fin, elle rendit public en 1995 un rapport faisant état d’estimations selon différents scénarios (cf. tableau 1). On y souligne une augmentation du niveau
marin se situant entre 10 et 100 cm pour les cent prochaines années. L’écart entre les estimations les plus basses et les plus hautes, d’un facteur 10, est lié aux différentes méthodologies ainsi qu’à des divergences pour ce qui concerne les contributions (de nature
diverse ; cf. tableau 1 et figure 5).
Nature de la contribution
Dilatation thermique
Glaciers
Groënland
Antarctique
Réservoirs continentaux
Total
Estimation basse
(cm)
2
2
–4
– 1,4
–5
– 19
Estimation moyenne
(cm)
4
3,5
0
0
0,5
8
Estimation haute
(cm)
7
5
4
14
7
37
Tableau 1 : Contributions diverses à la fluctuation du niveau marin [23, 24].
Estimation haute
Estimation moyenne
Estimation basse
Figure 5 : Fluctuation du niveau marin selon différents modèles climatiques depuis 2020
jusqu’à 2100 [23, 24].
Cependant, parmi les contributions actuelles aux remontées du niveau marin, c’est
l’expansion thermique des océans qui est la plus significative, en particulier dans le cas
des estimations basse et moyenne (cf. tableau 1, [23, 24]). Cette expansion peut être
visualisée, de manière simple (en supposant qu’il n’y a pas d’interaction océan-continent
ou océan-atmosphère), en montrant comment une augmentation de température, même
infime (de l’ordre de 1 °C), peut influer sur le changement de densité de l’eau de mer.
Par exemple, sachant que la densité moyenne de l’eau de mer est de 1026,97 kg m- 3 :
M
ρ=
= 1026,97 kg m- 3
V
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Où V est le volume des océans (1370,32 # 106 km3). On peut déterminer la masse
des océans (M) :
M= ρ# V
M = 1,40727 # 1021 kg
Puisque le changement de densité est de 0,2 kg m- 3 pour une augmentation de 1 °C,
la nouvelle densité (ρl) devient :
ρl= 1026,97 - 0,2 = 1026,77
Le nouveau volume (Vl) augmente en fonction de cette nouvelle densité selon :
M
Vl=
ρl
Soit :
Vl= 1370,5869 # 106 km3
On peut alors calculer la nouvelle hauteur :
Vl
Hl=
= 3796 m
S
Où S est la surface actuelle des océans : 361,06 # 106 km2.
L’augmentation du niveau, en ne considérant que l’expansion thermique est donc de :
3796 - 3795 = 1 m
3795 = profondeur moyenne de l’océan Actuel.
L’expansion thermique peut avoir un rôle considérable.
CONCLUSION
Les variations du niveau marin, au cours des temps géologiques ou celles plus
récentes, ont des origines diverses. Elles découlent ou sont liées à un ensemble complexe
d’interactions entre l’océan, l’atmosphère, les continents et la biosphère. Ainsi, si des
liens entre l’activité humaine et les variations du niveau marin semblent évidents,
notamment depuis le début de l’ère industrielle, il n’est pas simple de les dissocier des
grands processus naturels. Par ailleurs, on a volontairement omis plusieurs phénomènes
naturels qui influent sur le climat et le niveau marin, mais dont l’influence est plus restreinte au niveau spatio-temporel. Parmi ceux-ci, on retrouve les variations du bilan radiatif liées à l’activité solaire ainsi qu’à la mise en suspension de fines poussières lors
d’éruptions volcaniques.
Pour ce qui concerne les conséquences probables sur l’environnement côtier, SCOTT
et SUFFLING [25] et SHAW et al. [26] ont estimé qu’une remonté du niveau marin de 50 cm
(scénario dans le cas d’un doublement du CO2) provoquerait une reprise ou une intensification de l’érosion côtière, des changements dans la circulation des courants ainsi qu’une
détérioration de certains habitats. Des changements importants au niveau des espèces
côtières, positifs ou négatifs, selon leur capacité d’adaptation sont aussi à prévoir.
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Quant à WOPPELMANN [23] et ANDRÉ [27], ils estiment vraisemblable : un recul de
la ligne côtière, un approfondissement de la zone intertidale, une reprise et ou accentuation de l’érosion, l’invasion d’eaux salines dans les zones de pompages (puits) et une augmentation de la fréquence de retour des ondes de tempêtes et des niveaux extrêmes
exceptionnels.
En somme, les variations du niveau marin prédites pour la prochaine décennie, peu
importe le scénario, seront plutôt négatives pour l’homme. Dans ce contexte, la gestion intégrée des zones côtières devient un élément essentiel de tout plan d’aménagement [28-29].
REMERCIEMENTS
Cette note a été écrite en guise d’introduction au cours Échanges gazeux en géologie que j’ai eu le plaisir de donner au cour des hivers 2000 et 2001 à l’École des Mines
de Saint-Étienne. Je remercie M. Jean-Luc BOUCHARDON, responsable de l’axe processus
naturels dans cette institution, de la confiance qu’il m’a faite en me demandant de
prendre en charge ce cours. Je remercie également Mme Céline GALLON de ses commentaires constructifs.
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Le Dr Martin DAIGNEAULT a travaillé sur les flux litho-atmosphériques de 222Rn (Polytechnique) de même que sur les processus physico-chimiques d’altération en milieu côtier (ENSM).
Actuellement, il collabore avec le CNRS sur des études expérimentales de cryoclastie
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