Le rôle de la tectonique des plaques sur le climat ?· Le rôle de la tectonique des plaques sur le…

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  • Le rle de la tectonique des plaques sur le climat

    Leon doption Secteur C agrgation

    Proposition de plan par : Mathieu Rodriguez, Agrg prparateur, Ens

    rodriguez@geologie.ens.fr

    Introduction :

    Lide de liens entre climat et tectonique merge ds les prmices de la thorie de la drive

    des continents, dans une publication par Wegener et Kppen ds 1924.

    La thorie de la tectonique des plaques a pour objet les mouvements horizontaux et verticaux

    des plaques lithosphriques, sous leffet des forces aux limites de plaques et des forces de

    volume. La mobilit des plaques est la consquence de la gravit (traction du slab au niveau

    des zones de subduction, forces de volume) et de la dissipation du flux de chaleur interne.

    Le terme climat drive du mot grec signifiant inclin. Linclinaison de laxe de rotation de la

    terre par rapport au plan de lcliptique, de lordre de 23, influe sur linsolation et ainsi sur la

    quantit dnergie reue en fonction de la latitude. En mtorologie, le climat est dfini par

    lvolution annuelle des prcipitations et de la temprature sur une rgion donne

    (diagramme ombrothermique).

    Les grandes ceintures climatiques actuelles correspondent aux grands biomes (climat tempr,

    continental, ocanique, aride). La distribution de la vgtation reflte le climat. Une

    caractristique du climat actuel est la prsence de glaciers aux deux ples. Il sagit dune

    situation irrgulire dans lhistoire de la Terre, seules 5 grandes poques glaciaires ayant t

    reconnues (Huronienne, ~2.3 Ga ; terre boule de neige entre 600 et 900 Ma ; glaciation

    ordovicienne, glaciation Permo-Carbonifre, et Cnozoque-Quaternaire). La prsence de

    calottes rsulterait de la conjonction de conditions climatiques et tectoniques particulires,

    quil sagit de dterminer.

    La Terre est actuellement le sige de changements climatiques (augmentation de leffet de

    serre, et de la temprature globale au cours de lre industrielle ; augmentation gnrale du

    niveau eustatique). Il nexiste pas de corrlation entre les changements climatiques initis

    au cours des derniers sicles et le mouvement instantan des plaques, tel que mesur par le

    GPS. Les montagnes agissent la faon de barrires topographiques sur la circulation

    atmosphrique, et contrlent la distribution des prcipitations (systme Himalaya-Mousson ;

    Andes-El Nino). De faon transitoire, une ruption volcanique peut influencer le climat sur

    quelques mois/annes, les arosols librs dans latmosphre lors des ruptions volcaniques

    affectant leffet de serre et le bilan radiatif de la Terre (ex. Laki, Islande, 1786 ; Krakatau,

    Indonsie, 1883). Les changements climatiques au cours du dernier cycle glaciaire-

    interglaciaire ont eu lieu sans quaucun changement cinmatique significatif nait t dtect.

    Lhistoire rcente 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

    mailto:rodriguez@geologie.ens.fr

  • dynamique atmosphrique/ocanique Mais quen est-il si on regarde au-del, sur une

    chelle de temps plus tendue, de lordre du million dannes?

    Les interactions entre tectonique et climat sont complexes. Il ne sagit pas ici dvoquer dans

    les dtails comment le climat (et les diffrents agents rosifs quil contrle) influence les

    processus tectoniques, mais de se concentrer exclusivement sur le rle des processus

    tectoniques sur lvolution climatique. Il est cependant difficile de discriminer dans certains

    cas si un changement climatique est lorigine dun changement tectonique, ou linverse.

    Discuter ces limites est un point important de la leon.

    Problmatique :

    Est-ce que les changements climatiques lchelle du million dannes sont contrls 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 Phanrozoque, avec une brve

    incursion la fin du Protrozoque pour discuter de lhypothse de la Terre Boule de Neige.

    Dmarche :

    Dans un premier temps nous identifierons les principaux changements climatiques qui se sont

    succd au cours du Phanrozoque, partir de quelques proxies clefs. Aprs avoir expliqu

    comment le palomagntisme permet dtablir des reconstructions palogographiques, nous

    chercherons identifier les phnomnes associs la tectonique des plaques, contemporains

    ou proches dans le temps des changements climatiques identifis au pralable. La

    contemporanit entre des processus tectoniques et climatiques majeurs suggre un lien de

    cause effet, quil faut cependant remettre systmatiquement en question, lenregistrement de

    tels pisodes gologiques autorisant bien souvent plusieurs interprtations.

    !!! Prendre garde toujours prciser lge des vnements mentionns, et la dure des effets

    de la tectonique sur le climat, surtout concernant le volcanisme !!!

    1. Reconstructions paloclimatiques et palogographiques : la recherche de

    relations temporelles entre tectonique et climat

    A- Reconstruction des climats passs, lchelle du Phanrozoque

    -Rappel du principe du 18O : le fractionnement des isotopes de lOxygne est fonction des

    variations de la temprature. Utilisation des foraminifres benthiques pour reconstructions

    paloclimatiques lchelle du Cnozoque/Msozoque. Laugmentation du 18O des

    benthiques correspond une diminution de la temprature.

    -Courbe de la variation du 18O au cours du Phanrozoque : Identification dun

    refroidissement global au cours du Cnozoque, ds 30-35 Ma, 18O des benthiques augmente

    de -1 5.

    En 65 MA: augmentation (alourdissement) de 5.8 du 18O:

    3.1 : refroidissement des eaux de fond

    1.2 : dveloppement inlandsis en Antarctique

  • 1.1 : dveloppement inlandsis dans lhmisphre nord

    Le refroidissement Cnozoque vu par les isotopes de loxygne et du carbone

    -Concentration en CO2 ; multitude de proxies : degr de saturation des alknones, indice

    stomatique, variations du 13C de la matire organique et des carbonates, modles GCM

    (Indice stomatique = nombre de stomates/nombre de cellules pidermiques : diminue avec

    laugm. du CO2 atm)

    -Identification dune chute du CO2 durant le Palozoque et durant le Cnozoque.

    Augmentation du CO2 durant le Crtac suprieur. A la fin du Crtac, la valeur du CO2 atm

    tait de 5000 ppm ; la valeur actuelle est de ~400 ppm (280 ppm avant industrialisation).

    Au tableau : courbes simplifies de lvolution du 18O et du CO2 au cours du Phanrozoque

  • Evolution du CO2 atm au Cnozoque et au Phanrozoque. Chutes du CO2 contemporaines

    des orognes.

    B- Reconstructions palogographiques : le palomagntisme.

    - Le principe de l'interprtation des anomalies magntiques a t tabli partir de mesures

    ralises au niveau de la dorsale de Carlsberg par Vine et Matthews. Il est le suivant : les

    basaltes sont mis au niveau de l'axe de la dorsale, se solidifient et cristallisent rapidement au

    contact de leau et acquirent une aimantation (lie leurs minraux ferro-magnsiens), qui

    enregistre la polarit du champ magntique terrestre au moment de leur formation. Le

    plancher ocanique est ensuite repouss de part et dautre de la dorsale quand du nouveau

    magma arrive en surface, laxe de la dorsale. Le champ magntique terrestre subit des

    inversions de faon irrgulire au cours du temps. Ces inversions sont fossilises par le

    plancher ocanique, et induisent des anomalies du champ magntique par rapport au champ

    actuel. Les inversions de polarit ont t dates par des forages (tude de lge des sdiments

    recouvrant le plancher) et des datations radio-chronologiques des basaltes et fournissent un

    calendrier de louverture des ocans. Les profils d'anomalies magntiques et les cartes des

    fonds ocaniques permettent ainsi de reconstituer la gomtrie des dorsales un moment

    donn, et de dduire certains paramtres du mouvement relatif entre deux plaques (migration

    du ple de rotation, taux d'ouverture ocaniques et asymtrie de l'accrtion).

    -Les tudes de palomagntisme des roches permettent aussi de retrouver les anciennes

    latitudes d'un continent, avec cependant de plus fortes incertitudes par rapport aux anomalies

    magntiques du plancher ocanique. Au-del de 180 Ma, le palomagntisme est la seule

    mthode pour contraindre la position des continents. Les sdiments dtritiques contiennent

    eux aussi des minraux ferro-magnsiens capables de fossiliser le champ magntique au

    moment de leur formation. La mesure de linclinaison du champ magntique fossile permet

    davoir accs la palolatitude du milieu de dpt, selon la relation tan (inclinaison) = 2 tan

    (latitude). En revanche, il est difficile de contraindre les palo-longitudes. Les incertitudes

    dans les estimations des palo-latitudes varient de 1 plusieurs dizaines de degr de latitude,

  • selon la qualit de lenregistrement palomagntique. Ainsi, il existe une incertitude de 500

    1000 km sur la position de lInde avant sa collision avec lEurasie, ce qui a de fortes

    implications sur les scnarios de convergence Inde-Eurasie, et le timing prcis de la collision

    en particulier.

    -Au cours du Phanrozoque, 2 cycles de Wilson majeurs (i.e. ouverture, fermeture ocan,

    orogne sur ~500 Ma) ; correspondant la fragmentation du supercontinent Rodinia pour le