[PDF] Les variations relatives du niveau marin.

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Les variations relatives du niveau marin.

PrĠparation ă l'agrĠgation SV-STU,

Leçon de spécialité (secteur C) de géologie. Proposition de plan par : Mathieu RodriguezAdresse mail : rodriguez@geologie.ens.fr

Introduction :

Approche historique :

_ Au 18°siècle, Lavoisier réalisa une des premières mises en évidence des variations relatives du

niveau marin (NM), dans une petite localité Suisse du nom de St Gobain. A la base de l'affleurement

composée de galets arrondis. Lavoisier associe à la première strate un milieu de dépôt calme, tels

ceux observés en milieu pélagique ; à la deuxième strate un milieu de dépôt agité, les angles des

galets (et brèches) ayant été émoussés par un roulement sur un rivage agité par les vagues. En

positions des anciennes lignes de rivage, et différentes profondeurs de la mer. Il s'agit ici d'une

variation du niveau relatif de la mer. Lavoisier Ġtendit ses obserǀations et son modğle ă d'autres

Définitions :

_ Il convient de distinguer deux grands types de variation du niveau marin (NM) : les variations relatives et absolues.

Les variations absolues du niveau marin correspondent à la variation de la distance entre la surface

de la mer et une référence fixe : en pratique, l'ellipsoŢde de rĠfĠrence dĠterminĠ par la gĠodĠsie est

la plus utilisée. Les variations absolues du NM correspondent à des variations spatiales et

temporelles du NM par rapport à cet ellipsoïde. L'eustatisme dĠsigne les changements globaudž du

niveau absolu de la mer.

dans le soubassement. Il ne tient pas compte de l'Ġpaisseur de sĠdiment mais comprend la

déposer du sédiment ; la notion d'espace disponible désignant quant à elle la fraction de cet espace

n'ayant pas encore ĠtĠ comblĠe par du sĠdiment.

Problématique :

Depuis Lavoisier, deux siècles sont passés. La rĠǀolution industrielle s'est accompagnée d'un

réchauffement des enveloppes externes fluides de la planète ; la question des variations du NM et du

que politique- de premier plan, comme le confirme l'attribution du pridž Nobel au rapport du GIEC en

prévoir la gestion des crises futures. Il s'agit aussi de ͨ prévoir le passé » afin de savoir si les

élévations du NM observées au cours des années 90 ont une cause anthropique, ou obéissent à une

variation naturelle.

nombreuses connaissances permettant de mesurer et d'Ġtudier les ǀariations du NM. Nous

contributions les plus importantes à la compréhension des variations du NM.

_Dans la conclusion de son article de 1785, Lavoisier appelle à une étude plus généralisée des

avancée. Lavoisier imagine un mécanisme proche de celui des marées, cyclique et répétitif.

Dans la lignée des interrogations soulevées par Lavoisier, la mise en évidence de variations cycliques

du NM pose le problème suivant :

ͺS'agit-il de cycles obĠissant ă une loi de la nature indĠpendante de l'histoire, et se dĠroulant de la

même manière quelque soit le moment envisagé , comme les marées? (conception anhistorique)

_ S'agit-il de cycles correspondant ă une sĠrie d'Ġǀğnements organisés en séquences distinctes,

irréversiblement directionnelles, avec leur part de faits uniques, isolés de la cyclicité générale ?

(conception historique) d'une histoire » (S.J. Gould)

Plan :

Dans une première partie, nous étudierons les variations actuelles du NM, à partir de mesures de

marégraphes et altimétriques. Nous étudierons les relations entre NM et géoïde, ainsi que les

relations entre réchauffement climatique et NM.

Dans une seconde partie, nous étudierons les variations quaternaires du NM, et rechercherons leurs

Dans une troisième et dernière partie, nous étudierons les variations plus anciennes du niveau marin,

à partir de cartes géologiques et de données de stratigraphie séquentielle.

1) Les variations actuelles du Niveau de la Mer.

a) La mesure actuelle du niveau marin _ Principe du marégraphe. Définition du niveau 0 à Marseille.

_ Mesures altimétriques (obserǀation de l'ocĠan depuis l'espace), principe (Cazenave & Feigl, 1994).

Différents systèmes : altimètre radar GPS ; laser ; système Doris (effet doppler).

Altimètre radar : différentes générations de satellites : seasat (1978) ; Topex Poseidon (1992) ; Jason

(2001). Diminution des incertitudes sur les mesures du niveau marin de 2m à 2cm.

retour du signal radar est converti en distance. Cette distance varie selon la position de la surface de la mer par

du manteau. La surface de référence est le géoïde. Rappel : le géoïde est la surface des équipotentielles du

Le système GPS dépend de trois composantes :

1) Constellation de satellites dans l'espace. Les satellites enǀoient entre eux des signaux de position.

Le signal comprend la date à laquelle le signal a été émis, et le nom du satellite. Le satellite qui

reçoit le message convertit la durée du temps de parcours en distance et sait où se trouve le

satellite émetteur. Positionnement relatif des satellites les uns par rapport aux autres.

2) Système de balise de références au sol, dont la position par rapport au géoïde est définie. Sert au

positionnement absolu de la constellation dans l'espace (lat/long/altitude)

3) Le récepteur GPS embarqué à bord de Topex Poseidon. Reçoit les signaux de la part de satellites

dont la position est connue grâce aux balises au sol. 4 satellites sont nécessaires pour donner la

position de Topex.

In fine, la hauteur de la mer en un endroit donné correspond à la différence entre la distance sat/géoïde et la

distance sat/ surface de la mer. b) La forme du géoïde

La forme du gĠoŢde dĠpend, pour les grandes longueurs d'onde, audž anomalies de masse dans le

manteau inférieur et aux panaches de point chaud ; pour les courtes longueurs d'ondes, audž reliefs

dans les variations récentes du NM.

d'onde du gĠoŢde ͗ l'ocĠan prĠsente un relief, aǀec des creudž et des bosses. Carte de tempĠrature

des eaux/ phénomènes El nino : exemple de variation saisonnière du NM absolu (ne pas détailler

tout le phénomène !). document in Cazenave & Feigl. c) Variations récentes du niveau de la mer. _TOPEX a mis en évidence une remontée du niveau marin de 3mm/an depuis 1993. A mettre en

relation avec la dilatation des océans en réponse au réchauffement climatique, et la diminution des

apports en eau douce depuis la banquise et les fleuves.

2) Les variations quaternaires du niveau marin.

a) Mise en évidence.

préférences du candidat (la plupart sont dans " éléments de géologie », de Pomerol et Renard) :

*peintures rupestres de la grotte de Cosquer, dessin de faunes de climats froids (pingouins et

bouquetins), baisse du NM de 37 m. *menhirs du Morbihan peu à peu engloutis

*sismique réflexion et sondeur multifaisceaux dans la manche : mise en évidence d'un palĠo-fleuve

Manche (in Pour la science, Juin 2007).

*la plage de Sangatte (Dercourt p 375)/ Carte géologique des Marquises au 1/50 000e : paléo-falaise

b) Caractéristiques des variations du NM quaternaires selon les latitudes.

la fonte des glaciers. Compétition entre la fonte des glaces (et l'augmentation du NM), et la

remontée isostatique (baisse du NM relatif) et la connexion des lacs et fleuves périglaciaires avec

l'ocĠan (н implications sur le dĠbit et la taille du Bassin Versant du fleuǀe Manche). Carte des

positions de la banquise au cours du temps in " éléments de géologie » de Pomerol. Compléments

dans le chapitre consacré à la gravimétrie in Larroque & Virieux.

Le rebond isostatique correspond à une variation relative du NM, sans que le NM absolu ne varie en

conséquence. Ce phĠnomğne illustre l'importance des ǀariations de l'altitude du substratum sur le

NM, par surrection ou subsidence. Notez que des séismes peuvent générer des " uplifts ͩ, c'est-à-

dire un basculement et une surrection des côtes : la position relative de la ligne de rivage se trouve

alors modifiée. Une carte de la France lors du dernier Maximum glaciaire est disponible au concours : commenter la

position des moraines, des loess, le fleuve Manche. Mettre en relation l'edžtension des calottes aǀec

un NM général plus bas.

_ Aux basses latitudes : étude des terrasses de coraux. Les coraux sont des marqueurs du niveau 0.

forage et datation des coraux (par le système U/ Th)Î courbe de variation du NM. Exemples dans " Coraux et récifs, archives du climat » de Lucien Montaggioni, chez Vuibert.

ͺ Utilisation du ɷ18O des glaces et foraminifères : principe de la mesure, dire comment cette

technique permet de reconstituer les anciennes températures et les anciens volumes des glaces.

Rappel ͗ dans les glaces, le ɷ18O devient plus négatif quand la température baisse au niveau des pôles

(donc quand le volume des glaces est plus important)ͬ Dans les mers, le ɷ18O des foraminiféres

augmente en pĠriode froide, car l'essentiel de 16O est piégé dans les banquises.

_ Enregistrement des variations isotopiques au site de Vostock, mise en évidence de la cyclicité

glaciation (100 000 ans)/ déglaciation (20 000 ans). _ Paramètres astronomiques de Milankovitch.

Corolaire : les variations du NM au quaternaire sont commandées par le glacio-eustatisme, en

réponse aux paramètres orbitaux de Milankovitch, ainsi que par le rebond post-glaciaire associé aux

variations de volume de la calotte Scandinave.

3) Les variations plus anciennes du niveau marin.

a) Mise en évidence à partir de la carte géologique de la France au 1/1 000 000°. Commentez la grande transgression mésozoïque du bassin parisien. b) Les apports de la stratigraphie séquentielle. *Bibliographie : Homewood, Vade-mecum de la stratigraphie séquentielle. La déchirure continentale, de Boillot. *Description des cortèges de dépôt, notion de régression et de transgression/ disponible. Comment accéder au NM absolu dans le passé ?

Le modèle de la stratigraphie séquentielle.

*Modèle de Vail, relation subsidence-eustatisme- apports sédimentaires. *Courbe eustatique de Vail (Charte) : notion de cycles eustatiques de différents ordres. c) origine des variations eustatiques : *notion de glacio-eustatisme, de tectono-eustatisme. transgression mésosoïque du bassin parisien. *Cycles de Wilson.

Conclusion :

s'inscriǀent dans une histoire, dĠpendante du contexte géologique de la terre en un instant donné.

Ceci est illustré par le rôle de la tectonique des plaques, les transgressions mésozoïques étant par

exemple associées à un volume de dorsale exceptionnel, lui-même dépendant d'une ͨ pulsation » de

Terre, et contribuent à inscrire les variations du NM dans une histoire irréversible. Un constat

comparable peut être effectué pour le contrôle climatique du niveau marin. Les glaciations sont des

encore, des mouvements tectoniques, tels la fermeture du détroit de Panama, permettent la

machine Terre (comme par exemple les marées). En effet, la révolution " Mid-pléistocène » marque

par exemple une transition de la périodicité des cycles glaciaires/ interglaciaires de 40 000 à 100 000

ans il y a environ 1 Ma. Ceci est dû à un changement du paramètre orbital dominant : alors que la

cyclicité des variations climatiques depuis 1 Ma. Ö Les variations du NM obéissent donc à une cyclicité historique.

Une bonne connaissance du passé nous permet de mieux discerner les effets des activités humaines

sur la variation du niveau marin. La dilatation thermique des océans, en réponse à un effet de serre

accru, est la principale cause des variations du NM actuel. De nombreux modèles essaient de prédire

cette évolution : en dépit des incertitudes affichées par les différents auteurs, le tendance est

clairement ă une augmentation du NM dans le siğcle ă ǀenir. Lă encore, l'actiǀitĠ humaine est un

cyclicité de Milankovitch. Problèmes politiques : cas des réfugiés climatiques. Problèmes écologiques : destructions de niches/ création de nouvelles. Ouverture possible sur le rôle des variations du NM dans les grandes crises biologiques (ex. au

Références bibliographiques :

Cazenave & Feigl, 1994.

Pour la science, Juin 2007, pour le fleuve Manche/ carte de la France lors du dernier Maximum glaciaire

" Le visage changeant de la Terre » de Bruno Vrielynck, 2003. " Coraux et récifs, archives du climat » de Lucien Montaggioni, chez Vuibert.

*Bibliographie : Homewood, Vade-mecum de la stratigraphie séquentielle. La déchirure continentale, de Boillot.

CYCLES DE MILANKOVITCH ET VARIATIONS CLIMATIQUES

Cyril Langlois

Laboratoire Paléoenvironnements et Paléobiosphère - Université Claude Bernard Lyon 1

Benoît Urgelli

Ecole Normale Supérieure de Lyon

Publié par

Emmanuelle Cecchi

Benoît Urgelli

01 - 10 - 2004

Résumé

Cet article traite des cycles de Milankovitch et de leurs effets sur les variations climatiques. Pour comprendre les variations climatiques glaciaires-interglaciaires, il faut comprendre: comment les isotopes de l'oxygène dans l'eau de mer permettent de reconstituer les changements de volume glaciaire, comment des changements de l'orbite de la terre (paramètres de Milankovitch) peuvent causer des changements dans la distribution saisonnière du rayonnement solaire, stimulateur des variations climatiques: ƒ Animation Excentricité : période de 413 000 et 100 000 ans ƒ Animation Inclinaison : période de 41 000 ans ƒ Animation Précession : période de 23 000 et 19 000 ans comment les données paléoclimatiques extraites des carottages de glace de Vostok

(Antarctique) et du Groenland peuvent être employées pour contraindre les variations passées

du climat.

On peut alors faire le lien entre les variations climatiques mesurées et les variations de l'orbite de

la terre... NOTE

D'après Climate Archives, the climate record of the distant past. James D. Hays et Peter B. de Menocal.

Lamont-Doherty Earth Observatory of Columbia University Le Quaternaire est caractérisé par des cycles climatiques rapides et de grande amplitude

liés aux paramètres de Milankovitch, avec une période de 100 000 ans très marquée. Ces

cycles sont associés à une variation du volume des glaces polaires et donc à une

variation du niveau de la mer. Figure 1. Variation de température lors du quaternaire

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Source : Petit R. et al., 1999, Nature.

La théorie de Milankovitch (ou théorie astronomique des changements climatiques) permet d'expliquer des changements des saisons en relation avec des changements de

l'orbite de la terre autour du soleil. La théorie a été formulée par l'astronome serbe

Milutin Milankovitch. Il a estimé les changements lents de l'orbite de la terre dus aux interactions avec les autres planètes du système solaire. Il y a trois composantes principales qui expliquent la variabilité orbitale de la Terre : Excentricité (période de 413 000 et 100 000 ans)

Inclinaison (période de 41 000 ans)

Précession (période de 23 000 et 19 000 ans)

Les périodes ont été déterminées par un traitement spectral des signaux de la figure 2 ci-

dessous. Figure 2. Variations de l'excentricité (E), de l'inclinaison (T) et de la précession (P) sur les 800 000 dernières années, d'après les travaux de Berger en 1978

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Source : Paloeclimatology, T.J. Crowley, G. R. North, Oxford University Press, 1991 Figure 3. Variations orbitales de l'excentricité, de l'inclinaison (en degré) et de la précession (représentée par un index de précession) sur les derniers 800 000 ans.

L'orbite verte est quasi-circulaire (excentricité faible), l'orbite bleue est elliptique (excentricité forte).

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Source : Cyril Langlois, ENS Lyon, Janvier 2003, d'après T. Crowley et J. North, Paleoclimatology, 1991, Oxford

University

La figure 4 ci-dessous montre les variations du rayonnement solaire dans l'hémisphère nord entre -25000 à -10000 ans, durant le solstice de juin. Ces changements orbitaux

causent de grandes variations de la quantité de lumière du soleil reçue pendant une

saison donnée (jusqu'à ±15%). Dans ce cas, seules les variations de l'inclinaison

(période de 41 00 ans) et les précessions orbitales (période de 19 000 et 23 000 ans)

affectent de manière significative la quantité de rayonnement reçue pour une saison

donnée. Figure 4. Variation du rayonnement solaire entre -25000 et -10000 ans

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Source : James D. HAYS, Peter B. de MENOCAL, d'après Climate Archives, Lamont-Doherty Earth Observatory

of Columbia University On peut reconstituer les variations du volume de glace en employant des mesures des isotopes de l'oxygène dans la calcite (le "O" dans CaCO3) des coquilles de foraminifères. En effet, les variations en 18O de l'eau de mer peuvent être corrélées aux variations de volume des glaces. Pendant la période glaciaire, le niveau de la mer était de - 130m. En

conséquence le 18O de l'océan était à + 1.5 pour mille qu'il est aujourd'hui. La mesure du

18O dans les coquilles de foraminifères permet donc de reconstruire les variations du

volume de glace à l'échelle des millions d'années. Figure 5. Variation du niveau de la mer et variation de la composition isotopique

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Source : P. Gillet, ENS Lyon

Le schéma ci-dessous (Figure 6) montre les relations entre les changements du volume des glaces et les variations cumulées (ETP) de l'excentricité (E), de l'inclinaison (T), et de la précession (P). Pour comprendre les origines de variations glaciaires-interglaciaires, deux cas extrêmes, parmi de nombreuses configurations possibles, sont représentés : Pour la période glaciaire, l'orbite de la Terre est quasi circulaire (excentricité faible) et on a choisi d'y ajouter une faible inclinaison et une grande distance Terre-

Soleil en été. Il en résulte un faible contraste saisonnier et une configuration

favorable à l'apparition d'une période glaciaire. Pour l'apparition d'une période interglaciaire, une configuration orbitale extrême est de considérer une forte excentricité (l'orbite de la Terre est une ellipse), une inclinaison forte et une faible distance Terre-Soleil en été. Il en résulterait des saisons très contrastées. La variable principale est la quantité de rayonnement reçue en été aux hautes latitudes de l'hémisphère nord. La variabilité de l'oxygène 18O est liée aux variations du rayonnement direct en relation avec les paramètres de Milankovitch. Les variations périodiques de l'orbite de la Terre sont donc le stimulateur de périodes

glaciaires. Au cours du dernier million d'année, il y a eu une dizaine de périodes

glaciaires. Figure 6. Relations entre les variations du volume des glaces et les variations cumulées (ETP) de l''excentricité (E), de l'inclinaison (T), et de la précession (P)

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Source : James D. HAYS, Peter B. de MENOCAL, d'après Climate Archives, Lamont-Doherty Earth Observatory

of Columbia Universityquotesdbs_dbs29.pdfusesText_35

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