Les paléoclimats. Géologie Niveau Terminale S

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1 Les paléoclimats Géologie Niveau Terminale S Ce TP s inscrit en enseignement de spécialité, dans le thème 1, «Du passé géologique à l évolution future de la planète». Cette partie du programme s articule autour de deux problématiques, partiellement interdépendantes et qui sont relatives aux variations du climat et aux variations du niveau moyen des mers. Ces études sont ainsi l occasion d envisager les relations qui peuvent exister entre le fonctionnement des enveloppes externes et internes de la Terre et les interactions de la Terre avec le reste du système solaire. On peut par exemple penser aux relations entre CO 2 et température, la teneur en CO 2 étant à la fois influencée par la dynamique interne (volcanisme) et externe (bilans d altération des roches). La recherche d explications aux variations climatiques du Quaternaire conduit à s intéresser aux paramètres orbitaux de la Terre. Les variations climatiques sont étudiées à deux échelles de temps avec : - les changements du climat des dernières années, qui peuvent être reconstitués avec une haute résolution temporelle (de l ordre de 1000 ans), du fait de la richesse et de la continuité des enregistrements géologiques. - les changements climatiques aux plus grandes échelles de temps : ces études peuvent ainsi concerner les glaciations précambriennes et paléozoïques, ou la reconstitution de la période chaude du Crétacé. Cette séance de TP repose sur l exploitation de nombreux types de supports : on peut ainsi penser à l étude des contenus fossilifères des formations et à leur interprétation en termes paléoclimatiques. Elle suppose aussi la connaissance de l analyse isotopique en se limitant aux isotopes stables de l oxygène, mesurés dans les carottes glaciaires (Arctique ou Antarctique) ou dans les carottes sédimentaires réalisées en domaine océanique (on se limite aux données des Foraminifères benthiques). Trois objectifs guident l étude des changements climatiques au cours des dernières années : - reconstitution à partir d indices physico-chimiques (variations du delta isotopique de l oxygène) des climats de la Terre. - mise en évidence de l étendue planétaire des changements climatiques (corrélations entre données paléoclimatiques géographiquement éloignées). - recherche des causes possibles des variations climatiques. UN EXEMPLE DE PLAN. I / Les variations climatiques du Quaternaire 1 / Les témoignages des variations climatiques a / des témoignages paléontologiques 1

2 Poste 1 b / des témoignages géochimiques Poste 2 2 / Des variations enregistrées à l échelle globale Poste 3 3 / Des variations périodiques et déterminisme de la périodicité Poste 4 II / Les changements climatiques aux grandes échelles de temps 1 / Les témoignages de variations climatiques anciennes Poste 5 2 / Les causes des variations Poste 6 CONCEPTION DES DIFFERENTS POSTES. - Poste 1: Il s agit de montrer l existence de variations climatiques au cours du Quaternaire. Cette approche peut se fonder, comme le programme l indique, sur l analyse d indices physico-chimiques, comme les variations du delta isotopique de l oxygène, qui permettent de reconstituer l évolution des conditions climatiques. Cette approche nécessite un ensemble de prérequis qu il faudrait établir dans un premier temps : notions d isotopes stables, notion de delta isotopique On pourra peut-être alors préférer mettre en évidence dans un premier poste ces variations en se fondant sur des supports plus concrets, comme l analyse des pollens dans les sédiments. - Mise en évidence de la variabilité climatique du Quaternaire. - Utiliser des moyens d observation : observation et critères de distinction (éventuellement identification) de quelques pollens. - Exploiter des résultats expérimentaux pour en extraire des informations. 2

3 - Différents types de pollen avec indication de l origine ou indications permettant l identification. - Diagramme pollinique établi à partir de l analyse d une tourbière par exemple : on pourra se fonder sur le diagramme, très classique, obtenu à partir de la tourbière de la Grande Pile, dans le Sud des Vosges (cf. M. Campy et J.J. Macaire, Géologie de la surface, Dunod, 2003). On fournira quelques indications sur les exigences écologiques des arbres. - On peut utiliser des données informatiques (cf. logiciel Paleovu). - Observation de pollens - Identification de périodes plutôt froides ou chaudes en fonction du contenu pollinique des sédiments analysés. Des marqueurs paléontologiques comme les pollens attestent de l existence de périodes plus froides au Quaternaire : au cours de cette période, se sont produites des variations climatiques, avec de périodes de refroidissement. Rmq : ce poste est proche dans sa démarche de l une des activités expérimentales évaluées au baccalauréat. - Réaliser d une préparation microscopique à partir d un culot de centrifugation fourni. - Repérer au microscope un grain de pollen. - Identifier le type de pollen à l aide de la planche de détermination fournie. - Utiliser les informations écologiques fournies pour identifier les modifications climatiques. - Reconstituer la succession des variations climatiques à partir d un diagramme pollinique. (Rmq : voir aussi la morphologie glaciaire. Par exemple : analyse de dépôts morainiques qui rendent compte de différents épisodes glaciaires au cours du temps : voir par exemple la carte géologique de Lourdes à 1/ ème sur laquelle on peut identifier les phases glaciaires du Quaternaire et leurs extensions. On observera cependant que les mécanismes de formation des modelés glaciaires ne sont pas au programme mais l existence de ces modelés peut être utilisée pour retrouver les climats anciens. - Poste 2: On peut compléter le poste précédent en s intéressant alors aux variations climatiques détectées à partir des indices physico-chimiques : ce poste sera l occasion de présenter l utilisation des rapports isotopiques de l oxygène enregistrés à partir d une carotte glaciaire. - Utilisation des isotopes de l oxygène pour reconstituer des variations climatiques. - Analyser des résultats pour en tirer des informations. 3

4 - On se fondera sur un enregistrement de δ 18 O obtenu à partir d une carotte glaciaire, et dont il s agira d interpréter les variations. - Il ne s agit pas encore ici de faire apparaître la globalité et la périodicité des variations, qui seront mises en évidence et étudiées dans les deux postes suivants. - Courbe représentant les variations de δ 18 O en fonction de la moyenne des températures annuelles de l air (cf. par exemple BRAHIC A. et al., Sciences de la Vie et de l Univers, Vuibert). - Analyse des variations de δ 18 O. - Interprétation des variations en termes climatiques grâce à la courbe reliant δ 18 O et température. La composition isotopique de l oxygène de la glace permet d estimer les variations locales de la température au-dessus des calottes polaires. Rmq : Ce poste peut se fonder pour l essentiel sur des supports fournis dans une situation expérimentale évaluée au baccalauréat : - enregistrement de la station «grip82» : celle-ci a été choisie car elle fournit une variation calculée du δ 18 O sur une longue période et montre une augmentation de -41 à -34 entre et 8000 ans. - thermomètre isotopique (résultats obtenus sur différents relevés effectués au Groenland document issu du site ENS Lyon Planet-Terre). Il s agit maintenant de faire apparaître les principaux caractères des variations climatiques détectées. Les deux postes suivants en montreront le caractère global puis périodique. - Poste 3: Ce poste a pour objet de mettre en évidence le caractère global des variations climatiques et d en fournir une interprétation. - Variations de la composition isotopique du réservoir océanique et interprétation. - Mettre en relation des informations pour formuler des hypothèses. - Données relatives au δ 18 O mesuré dans des carottes sédimentaires (tests carbonatés de Foraminifères benthiques). On considérera plusieurs carottes de manière à réaliser des corrélations. - Informations relatives au fractionnement isotopique de l oxygène (évaporation, condensation). 4

5 - Mise en relation des différents enregistrements et réalisation de corrélations. - Établissement d un système de relations entre plusieurs paramètres : volume des glaces, δ 18 O des glaces (on pourra reprendre les données du poste précédent), δ 18 O de l eau des océans et δ 18 O des carbonates des tests : mise en évidence des effets glaciaires et localisation dans le temps. - On observera que l on travaille sur des Foraminifères benthiques, vivant dans des eaux que l on peut considérer peu affectées par des variations de température, ce qui autorise à considérer les variations mesurées comme témoignant de changements de la composition isotopique du réservoir global. La composition isotopique des tests carbonatés récoltés dans des sédiments océaniques à divers endroits du monde, présente des évolutions analogues, ce qui atteste de variations climatiques globales. Ces mesures isotopiques permettent de reconstituer les variations globales du volume des calottes glaciaires. Rmq : le caractère global des variations peut aussi être mise en évidence à partir de corrélations établies entre diagrammes polliniques. On se fonderait alors sur la comparaison de deux diagrammes polliniques, montrant tous deux des évolutions comparables, avec l indication d un réchauffement climatique marquant la fin de la dernière période glaciaire (cf. stations rogerslake, soselake). - Poste 4 : On montre alors le caractère périodique des variations climatiques enregistrées au Quaternaire et on en recherche des causes possibles. - Variations rythmiques des climats. - Relations entre rythmes climatiques et paramètres orbitaux. - Effets des variations de la teneur en CO 2 atmosphérique. - Analyser et mettre en relation des documents pour formuler des hypothèses explicatives. - Enregistrements de δ 18 O sur des carottes glaciaires (exemple : forage de Vostok, qui permet de remonter jusqu à ans ou forage EPICA qui permet de remonter jusqu à ans). - Enregistrement de la teneur en CO 2 mesurée sur les inclusions (microbulles) de gaz piégées dans la même carotte. 5

6 - Variations des paramètres orbitaux (paramètres de Milankovitch : excentricité, précession et obliquité, ensoleillement à 65 N) au cours du temps (on pourra par exemple se reporter à BRAHIC A. et al., Sciences de la Vie et de l Univers). - (Diagramme de solubilité du CO 2 avec la température. ) CO 2 ). - Détermination des rythmes à partir des enregistrements de δ 18 O. - Mise en relation des rythmes avec les paramètres orbitaux. - (Analyse de la solubilité du CO 2 et discussion des relations entre température et Les variations climatiques montrent des évolutions cycliques, avec notamment des périodes de ans (qui rythment les glaciations), de , et ans. Ces périodicités peuvent s expliquer par les variations régulières de certains paramètres orbitaux, qui influent sur l énergie solaire reçue au cours du temps à différentes latitudes. La teneur en CO 2 peut modifier la température, du fait de la participation de ce gaz à l effet de serre. La solubilité du CO 2 dans l océan décroît lorsque s élève la température de l eau ; une augmentation de celle-ci s accompagne d une libération de CO 2 dans l atmosphère, ce qui renforce l effet de serre.. Il s agit maintenant de prendre en compte les changements climatiques à de plus grandes échelles de temps, en privilégiant par exemple la glaciation permo-carbonifère (période marquée par l existence d une vaste calotte glaciaire au Sud du globe) ou la période chaude du Crétacé supérieur, pendant laquelle la Terre était entièrement dépourvue de glace. On observera immédiatement que certains mécanismes explicatifs, développés plus haut pour de courts intervalles de temps (exemple variations d ensoleillement), ne peuvent convenir pour rendre compte de longues périodes (en millions ou dizaines de millions d années) d installation de climats glaciaires ou de périodes chaudes. Cette partie pourrait être développée sur deux postes, l un attestant de variations climatiques, que l on peut mettre en évidence par des enregistrements sédimentaires et dont une partie des explications peut résider dans la position alors occupée par les continents, l autre évoquant, à la suite des études faites plus haut, des variations de la concentration en dioxyde de carbone déterminées par différents processus géologiques. - Poste 5: Il s agit de mettre en évidence des variations climatiques ayant affecté de grandes échelles de temps. Celles-ci peuvent être déduites de l observation de différents types d enregistrements sédimentaires. - Reconstitution des conditions paléoclimatiques. - Relations avec la position des continents. 6

7 - Observer et raisonner par actualisme pour formuler des hypothèses explicatives. - Argumenter des reconstitutions paléogéographiques. - Photographies d affleurements et échantillons ayant des significations paléoclimatiques : exemple : tillites, galets striés - Documents permettant les reconstitutions paléogéographiques de la position des continents (on prendra les positions au Permo-carbonifère) : distribution des tillites, place des paléopôles (cf. Comprendre et Enseigner la planète Terre, Ophrys, 2003 p. 46) - Voir aussi le Visage changeant de la Terre éditions CCGM. - Analyse des faciès observés et comparaison avec l actuel (identification de formations glaciaires). - Reconstitution de l extension de la calotte glaciaire permo-carbonifère. Certaines formations anciennes (ici moraines) sont d origine glaciaire. La localisation des formations et les connaissances acquises sur la mobilité continentale attestent de l existence d une calotte glaciaire, développée au Permo-Carbonifère, alors que les continents étaient regroupés vers les latitudes Sud (calotte sur l Amérique du Sud, l Afrique du Sud, l Australie, l Inde et l Antarctique). Rmq : le poste pourrait être complété par des données relatives à d autres formations de même âge attestant d autres zones climatiques : exemple : forêt houillère, en France, dont les caractéristiques témoignent d un climat tropical. Cette végétation est en accord avec la position de la France près de l Équateur. Rmq : À d autres époques, on pourrait retrouver plus aisément des traces de périodes chaudes (coraux, ) - Poste 6 : Il s agit de s intéresser aux mécanismes susceptibles d expliquer les variations climatiques aux grandes échelles de temps. Le poste 4 a fait apparaître l importance de la teneur en CO 2, gaz à effet de serre. On peut alors rechercher quels sont les phénomènes géologiques susceptibles d influer sur la teneur en CO 2 de l atmosphère. On pourra s intéresser à deux périodes, Carbonifère et Crétacé, dont on indiquera qu elles correspondent respectivement à une faible et forte teneur en CO 2. - Les processus libérant ou consommant du CO 2. 7

8 - Analyser des documents pour en extraire des informations. - Effectuer une synthèse. - Document relatif au piégeage du carbone dans la matière organique (BRAHIC A. et al., Sciences de la Vie et de l Univers, Vuibert). - Microphotographies d altération des silicates (silicates calciques et magnésiens) et équations associées. - Photographies de modelé karstique (dissolution des carbonates) et de sédiments carbonatés (exemple : microphotographie de boues carbonatées à microfossiles). - Documents relatifs au volcanisme de trapps : photographies des formations, localisation et âge. - Identification des processus libérant du CO 2. - Identification des processus consommant du CO 2 - Relations avec les teneurs en CO 2 présumées aux deux époques considérées. Les variations de la teneur en CO 2 de l atmosphère sont contrôlées par différents processus qui libèrent ou consomment du CO 2 : - piégeage du CO 2 dans la matière organique fossilisée. - consommation de CO 2 dans l altération des silicates calciques et magnésiens mis en place dans les phénomènes orogéniques. - consommation de CO 2 lors de la dissolution des carbonates, mais libération équivalente lors de la précipitation. -libération de CO 2 lors du dégazage du manteau par le volcanisme. On peut alors conclure la séance de TP en envisageant les climats du futur, et en montrant l intérêt de l identification des paramètres et de leurs impacts pour l établissement de modèles. Cette partie peut s appuyer sur des documents figurant les évolutions pressenties de la température selon les modèles envisagés. 8

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