Utiliser un modèle en mode simulation pour tester des hypothèses

Thème d'étude : L'évolution du climat du Silurien au

Permo-Carbonifère.

Projet INRP - ERTé - ACCES - Equipe d‘Orléans-Tours.

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.

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.

Le métamorphisme et le volcanisme permettent un retour dans l’atmosphère du CO2 stocké dans les carbonates

CaCO3 + SiO2 CaSi03 + CO2

Pour la matière organique :

CH2O + O2 CO2 + H2O

Retour vers l’atmosphère par l’intermédiaire du volcanisme des zones de subduction

Géorespiration (après enfouissement et remontée en surface)

Enfouissement de M.O (formation du pétrole, du charbon, du gaz …)

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.

Modèle adapté de Geocarb II, Berner

Réservoirs lithosphériques

Réservoir superficiel

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 ?

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.

Lien entre refroidissement et surrection de la chaîne hercynienne ? (utilisation de mesurim et calculs)

Lien entre refroidissement et évolution des végétaux, notamment l’apparition de racines ?

Utiliser le modèle

Résultats du scénario de référence basée sur les données géologiques.

Zone étudiée

Données de terrain

Modèle du chercheur

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.).

Feuille de Ginkgo fossile

Etalonnage sous atmosphère contrôlée en

CO2.

Résultats obtenus pour le Paléocène et l’Eocène

Travaux élèves : Mesurer indirectement la quantité de CO2 atmosphérique actuelle.

Hypothèse 1 : L’enfouissement de la matière organique

Données géologiques obtenues à partir d’échantillonnage de terrain.

Simulation : un enfouissement constant au cours des temps géologiques.

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.

Un paysage au carbonifère.

Hypothèse 2 : L’apparition des végétaux vasculaires avec leur appareil racinaire.

fe est un coefficient multiplicateur qui agit dans le modèle sur l’altération des silicates.

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.

1

Simulation : l’apparition des végétaux vasculaires est retardée.

Les racines augmentent la surface d’attaque des roches par l’eau.

Évolution de la taille des racines au Dévonien.

Hypothèse 3 : La surrection de la chaîne hercynienne.

En marron, le relief Carbonifère supérieurSilurien inférieur

Utilisation de Mesurim pour déterminer la surface occupée par la chaîne hercynienne et calculs de la quantité de CO2 consommé.

Résultats des simulations

Hypothèse 1 (enfouissement de la M.O)

Hypothèse 2 (apparition des végétaux vasculaires)

Simulation : enfouissement de M.O constant

Simulation : l’apparition des végétaux vasculaires est retardée de 100 Ma.

Hypothèse 3 (surrection de la chaîne hercynienne)

Résultats du calcul / Utilisation de Mesurim