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Le rôle de la tectonique des plaques sur le climat
Leĕon d'option tSecteur C - agrégation
Proposition de plan par : Mathieu Rodriguez, Agrégé préparateur, Ens rodriguez@geologie.ens.frIntroduction :
dée de liens entre climat et tectonique émerge dès les prémices de la théorie de la dérive
La théorie de la tectonique des plaques a pour objet les mouvements horizontaux et verticaux des plaques lithosphériques,volume. La mobilité des plaques est la conséquence de la gravité (traction du slab au niveau
des zones de subduction, forces de volume) et de la dissipation du flux de chaleur interne. Le terme climat dérive du mot grec signifiant incliné. énergie reçue en fonction de la latitude. En météorologie, le climat est défini par précipitations et de la température sur une région donnée (diagramme ombrothermique). Les grandes ceintures climatiques actuelles correspondent aux grands biomes (climat tempéré, . La distribution de la végétation reflète le climat. Une reconnues (Huronienne, ~2.3 Ga Ma ; glaciationordovicienne, glaciation Permo-Carbonifère, et Cénozoïque-Quaternaire). La présence de
calottes résulterait de la conjonction de conditions climatiques et tectoniques particulières,La Terre est actuellement le siège de
serre, et de la température globale ; augmentation générale du au cours des derniers siècles et le mouvement instantané des plaques, tel que mesuré par leGPS. Les montagnes agissent à la façon de barrières topographiques sur la circulation
atmosphérique, et contrôlent la distribution des précipitations (système Himalaya-Mousson ;
Andes-El Nino). De façon transitoire, une éruption volcanique peut influencer le climat sur Indonésie, 1883). Les changements climatiques au cours du dernier cycle glaciaire- interglaciaire ont eu lieu sans000 ans), telle que nous la connaissons, ne
semble pas indiquer de relation claire et durable entre la dynamique de la terre solide et laMais -il si on regarde au-delà, sur une
Les interactions entre tectonique et climat sont complexes. processus tectoniques, mais de se concentrer exclusivement sur le rôle des processus Discuter ces limites est un point important de la leçon.Problématique :
Est- 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 latectonique sur le climat) ? Nous limitons ici le sujet au Phanérozoïque, avec une brève
Démarche :
Dans un premier temps nous identifierons les principaux changements climatiques qui se sontsuccédé au cours du Phanérozoïque, à partir de quelques proxies clefs. Après avoir expliqué
ns paléogéographiques, nouschercherons à identifier les phénomènes associés à la tectonique des plaques, contemporains
ou proches dans le temps des changements climatiques identifiés au préalable. La contemporanéité entre des processus tectoniques et climatiques majeurs suggère un lien de tels épisodes géologiques autorisant bien souvent plusieurs interprétations.!!! Prendre garde à toujours préciser lâge des évènements mentionnés, et la durée des effets
de la tectonique sur le climat, surtout concernant le volcanisme !!!1. Reconstructions paléoclimatiques et paléogéographiques : à la recherche de
relations temporelles entre tectonique et climatA- Reconstruction des climats passés
-Rappel du principe du į18O : le variations de la température. Utilisation des foraminifères benthiques pour reconstructions benthiques correspond à une diminution de la température. - į18O au cours du Phanérozoïque : refroidissement global au cours du Cénozoïque, dès 30-į18O des benthiques augmente de -1 à 5.ˡ18O:
Le refroidissement Cénozoïque vu par les isotopes de-Concentration en CO2 ; multitude de proxies : degré de saturation des alkénones, indice
stomatiqueį13C de la matière organique et des carbonates, modèles GCM (Indice stomatique = nombre de stomates/nombre de cellules épidermiques : diminue avec du CO2 atm) - 2 durant le Paléozoïque et durant le Cénozoïque.Augmentation du CO2 durant le Crétacé supérieur. A la fin du Crétacé, la valeur du CO2 atm
était de 5000 ppm ; la valeur actuelle est de ~400 ppm (280 ppm avant industrialisation). Au tableau į18O et du CO2 au cours du Phanérozoïque Evolution du CO2 atm au Cénozoïque et au Phanérozoïque. Chutes du CO2 contemporaines des orogènes. B- Reconstructions paléogéographiques : le paléomagnétisme.- Le principe de l'interprétation des anomalies magnétiques a été établi à partir de mesures
réalisées au niveau de la dorsale de Carlsberg par Vine et Matthews. Il est le suivant : lesbasaltes sont émis au niveau de l'axe de la dorsale, se solidifient et cristallisent rapidement au
acquièrent une aimantation (liée à leurs minéraux ferro-magnésiens), qui enregistre la polarité du champ magnétique terrestre au moment de leur formation. Le plancher océanique est ensuite repoussé de part etinversions de façon irrégulière au cours du temps. Ces inversions sont fossilisées par le
plancher océanique, et induisent des anomalies du champ magnétique par rapport au champ recouvrant le plancher) et des datations radio-chronologiques des basaltes et fournissent un verture des océans. Les profils d'anomalies magnétiques et les cartes des fonds océaniques permettent ainsi de reconstituer la géométrie des dorsales à un moment donné, et de déduire certains paramètres du mouvement relatif entre deux plaques (migration du pôle de rotation, taux d'ouverture océaniques et asymétrie de l'accrétion).-Les études de paléomagnétisme des roches permettent aussi de retrouver les anciennes
latitudes d'un continent, avec cependant de plus fortes incertitudes par rapport aux anomalies magnétiques du plancher océanique. Au-delà de 180 Ma, le paléomagnétisme est la seule méthode pour contraindre la position des continents. Les sédiments détritiques contiennenteux aussi des minéraux ferro-magnésiens capables de fossiliser le champ magnétique au
(latitude). En revanche, il est difficile de contraindre les paléo-longitudes. Les incertitudesdans les estimations des paléo-latitudes varient de 1 à plusieurs dizaines de degré de latitude,
e incertitude de 500 àimplications sur les scénarios de convergence Inde-Eurasie, et le timing précis de la collision
en particulier. -Au cours du Phanérozoïque, 2 cycles de Wilson majeurs (i.e. ouverture, fermeture océan, orogène sur ~500 Ma) ; correspondant à la fragmentation du supercontinent Rodinia pour lePaléozoïque, et la fragmentation de la Pangée pour le Mésozoïque et le Tertiaire. Episodes de
formation de chaînes de montagnes autour de 300-400 Ma ; et au Cénozoïque, avec la
fermeture de la Neotéthys et de ses branches.Au tableau
de couleur différentC- Datations des provinces magmatiques géantes
-Principe de la radiochronologie (K/Ar ; Rb/ Sr) : la désintégration des éléments radioactifs
depuis la fermeture du système considéré est fonction du temps.-Identification de plusieurs épisodes de volcanisme intense : trapps de Sibérie, Deccan,
Provinces magmatiques géantes du Parana/ Etendeka ; Otong-Java Episodes Crétacé essentiellement, forte dissipation du flux de chaleur. Au tableau : indiquer les épisodes magmatiques principaux Ages des principales provinces magmatiques géantes (Large Igneous Provinces) à partir de la fin du PaléozoïqueD- Reconstitution des flux sédimentaires
-Estimation des volumes de sédiments dans les bassins, par sismique réflexion, forages etcalages stratigraphiques. Mais seule une fraction des sédiments érodés arrive dans les océans
(50%), le reste est piégé sur la plate forme continentale ou sur les terres émergées. Limité à
des études régionales.augmentation exponentielle du flux terrigène ou problème de probabilité de préservation des
sédiments ? -Traceurs géochimiques : -Le traceur géochimique qui permet de retracer les variations du flux sédimentaire à plus grande échelle de temps est le rapport 87Sr/86Sr dans les carbonates océaniques (ex. test des foraminifères). Le Sr est issu de la désintégration du Rb. Les ions Sr2+ niveau des dorsales. Les ions Sr2+ 2+ dans les carbonates, et sont donc bien prégrande échelle de temps. Les variations du rapport 87Sr/86Sr dans les océans peut être
interprété de 2 façons. Les roches plutoniques, formées lentement et en profondeur, ont un
fort rapport 87Sr/86Sr, le 87Rb ayant tout le temps de se désintégrer en 87Sr. Une augmentation
du 87Sr/86Sr ; suite climatique. Les roches volcaniques, comme les basaltes océaniques, cristallisent rapidement, et ont par conséquent un 87Sr/86Sr faible. Une chute du 87Sr/86Sr océanique correspondrait donc aux épisodes de formation des dorsales océaniques. donc être couplée aux reconstructions paléogéographiques. -10Be : isotope cosmogénique; sur les 10 derniers Ma seulement, mais avec une meilleure résolution. Au tableau : une courbe simplifiée des variations du 87Sr/86Sr ; courbe des flux sédimentaires du Cénozoïque Evolution du rapport 87Sr/86Sr au cours du Phanérozoïque Corolaire - Relations temporelles, synchronicité entre certains épisodes volcaniques/tectoniques et des changements climatiques majeurs : simples coïncidences ou relations de causes à effet ?Etudier les variations climatiques à léchelle du cycle de Wilson/ effet de louverture-
fermeture des océans ? de la formation des chaînes de montagne ? du volcanisme ?(Je préfère commencer par le rôle des chaînes de montagnes car cest plus compliqué mais
on peut commencer aussi bien par louverture des océans.)2. Orogenèses et climat
Hypothèse -climat du fait de la coïncidence temporelle entre les périodes de diminution du CO2 atm, les périodes de refroidissement global sur plusieurs dizaines de et cycles orogéniques Hercynien-Alpin.A- : un piège à CO2 atmosphérique ?
une chaîne de montagne peut-elle entraîner piégeage du CO2 ? suivante, permet de piéger 2 molécules de CO2 par molécule de silicate altérée :Altération des silicates:
2CO2 + H2O + CaSiO3 = Ca 2+ + 2HCO3- + SiO2
la forme de carbonate :Précipitations des carbonates:
Ca2+ + 2HCO3- = CaCO3 + CO2 + H2O
Le bilan final est de 1 molécule de CO2 piégée pour une molécule de Silicate altérée.
CO2 + CaSiO3 = CaCO3 + SiO2
est : -la température : une augmentation de la température de 10° double la vitesse - ne augmentation du taux n continentale aurait pour conséquence la consommation de CO2 atm, et ainsi uneLa surrection
aînes de montagnes) entraînerait une altération accrue des continents, et favoriserait le piégeage du CO2 atm. -Cependant, un refroidissement climatique, déclenché par un facteur indépendant deprécipitations accru dans une région de chaîne de montagne. Au niveau de la chaîne de
ici que 80% de la top compensation isostatique mais un acteur majeur de leur formation et évolution. Il se met alors en place une boucle derétroaction positive, le refroidissement climatique initial étant alors amplifié par le piégeage
de CO2 atm -Nous pointons là le problème majeur des interactions tectonique-climat : qui du changement climatique ou tectonique a eu lieu en premier ? La réponse géologique (flux sédimentaire) Les incertitudes sur le timing des épisodes de collision et sur la mise en place des changements climatiques ne permettent pas toujours de répondre à cette question B- Signification des changements du flux sédimentaire -Les estimations du flux sédimentaires montrent des variations qui coïncident temporellement avec les épisodes de formation de chaînes de montagne. Par ex., rapport 87Sr/86Sr augmente lors des épisodes de formation de chaîne de montagne des cycles alpin & hercynien.-Une augmentation du flux sédimentaire peut être interprétée soit comme le résultat du
, ou les deux, lorsque lesoulèvement topographique est lié à la compensation isostatique qui fait suite à un épisode
érosif. Du fait des boucles de rétroaction positive gouvernant les interactions tectonique-
climat, il est donc difficile de discriminer à partir des seules variations du flux sédimentaire
-Les estimations du volume total (i.e. global) de sédiments délivré aux océans au cours du
Cénozoïque semblent à première vue en accord avec ce modèle. Le volume de sédiments
terrigène augmente de façon exponentielle depuis 30 Ma environ, avec un pic au Plio-
Pléistocène. A première vue, cela est cohérent avec le refroidissement initié il y a environ 30
formation des principales chaînes de montagne associées à la fermeture de la Néotéthys, et
n du refroidissement global initié il y a 2.5-3 Ma par le développement de la calotte du pôle nord. Cependant, les variations du 10Be sur 10 Ma ne montrent pas -Pléistocène. Un problème important dans temps. Plus un dépôt est ancien, plus il a de chance au cours du Cénozoïque venait à êtreC- : la collision Inde-
Eurasie et la mousson
La plus célèbre controverse relative à cette leçon est celle des interactions entre le
- au cours du Cénozoïque. Dans la situation actuelle, le réchauffement de la surface du Tibet influence le gradient de -il par le passé ? métabolisme photosynthétique en C3 par les plantes en C4. Les mesures du į18O alors disponibles indiquaient un appauvrissement autour de 8-10 Ma, interprété comme une de plaque Inde-Arabie, enregistrent à 8-9 Ma une augmentation majeure des abondances en G. bulloidesMiocène supérieur. Est- culation
atmosphérique et déclenché une intensification de la mousson ? Ou est- fois que la notion de rétroaction positive entre processus atmosphériques et tectoniques fut proposé. Depuis, de nombreuses observations sont venues remettre en cause le scénario exposé ci- dessus, sans toutefois remettre en cause fondamentalement les mécanismes des interactions tectonique-climat et le concept de rétroaction positive entre les processus. Miocène sup., de nombreuses failles se mettent en place au cours du Miocène et du Plio-Pléistocène, reflétant la construction progressive du prisme orogénique. Les progrès de la
thermochronologie et la densité des échantillons prélevés en différentes régions ont permis de
mettre en évidence qu et du Tibet avaient eu lieu autour de 35-40 Ma et de 15- /18O dans les lacs Eocène-à 8 Ma.
Comment se fait-(au moins 10 Ma) existe entre le changement tectonique et le changement climatique?Plusieurs observations ont
autour de 8 Ma, de nombreux enregistrements sédimentaires étudiés au cours des années 2000
montrant au contraire un affaiblissement de la mousson sur cette période. De plus, leG. bulloides avait été observé, a
été ré-évalué à 8 Ma suite à la collecte de nouveaux profils sismiques. Dans ce cas là, le pic de
G. bulloides ne reflète pas une intensification de la mousson, mais simplement le soulèvement e -Tibet : synthèse des observations tonique-climat -il cependant ? Des études récentes montrent que la mousson se serait initiée il y a 35-40 Ma, lors des tous premiers stades de soulèvement des reliefs. Lemécanisme de rétroaction positive entre tectonique et climat reste donc valide, mais transposé
près de 30 Ma auparavant ! Les études cinématiques les plus récentes, basées sur les anomalies magnéindien, et la datation de certains évènements géologiques, suggèrent que la collision Inde-
Eurasie a eu lieu il y a 47 Ma. La croissance du relief aurait donc débuté peu après, en même
-mousson.Il y a en revanche eu plus40 Ma, qui ne
correspondent pas, de façon directe, à des évènements tectoniques marqués, mais qui suivent
au premier ordre le rythme du refroidissement global. Reconstruction de la convergence Inde-Eurasie, incertitudes liées à la forme de la grandeInde avant la collision
(-Autre exemple possible : le rift est africain, le développement de la topographie associée, et
3. , volcanisme, et climat
Dans cette partie, nous abordons comment les processus tectoniques qui affectent un océan au cours de son histoire peuvent influencer le climat, de son ouverture à sa fermeture. Nousépisodes volcaniques
A- et les provinces magmatiques
géantes (LIPs : Large Igneous Provinces)-Les fortes concentrations en CO2 atm du Crétacé sont corrélées aux forts taux de production de
Mésozoïque. Le CO2 dégagé au cours de ces épisodes volcaniques entraîne une augmentation
-De nombreux processus de déchirure continentale sont associés à la formation de provinces magmatiques géantes. Par exemple, la mise en place des CFB (continental flood basalts) de6 km² a causé une augmentation de CO2 atm
telle que les températures globales ont augmenté de +3-4°C.-Le volcanisme intraplaque, type trapp, est aussi associé à des changements climatiques,
comme ce fût le cas lors de la formation des trapps du Deccan (65 Ma) et de Sibérie (250 Ma). -Volcanisme de subduction perdure ; pas de -Les épisodes de formation de provinces magmatiques géantes peuvent indirectement déclencher un changement climatique. Par exemple, la province Nord Atlantique mise en place autour de 55 Ma au niveau de la Norvège a induit un changement climatique et un réchaude gaz piégés dans les sédiments. 1500 gigatonnes de C auraient ainsi été délivrées dans
suite au changement climatique initial,-Les épisodes volcaniques jouent sur le climat à différentes échelles de temps : la libération de
mois/années ; la libération de gaz à effet de serre affecte le climat 5-106 CO2. Comment les éruptions volcaniques influencent le climat (diversité des interactions et processus impliqués)B- Les connections inter-océaniques
circuit de la circulation océanique, et le transfert de chaleur associé.-Actuellement, la circulation océanique est gouvernée par le système de circulation
thermohaline, qui contrôle les transferts de chaleur entre les pôles, sur une échelle de temps de
constitue un puits de Carbone fondamental dans le système climatique actuel.-Cependant, la mise en place de la circulation thermohaline est un phénomène récent à
connections entre les océans, qui ont forcé le développ -S dansPliocène
(~2.5 Ma). Le développement de la calotte Arctique favorise elle- Synthèse des âges de fermeture des connections interocéaniques -La fermeture de la Néotéthys a aussi causé la fermeture de nombreuses connections. Parexemple, la collision Arabie Eurasie entre 20 et 30 Ma a fermé la connexion entre la
Aiguilles au large de ; entre les océans Indien et Atlantique, enregistrée parde vastes dépôts contouritiques. Une mer épicontinentale a persisté au front du Zagros : la
Reconstructions paléogéographiques et paléocéanographiques : fermeture de la paratéthys
entre Arabie et Eurasie - -fluencer le climat. Par exemple : -L M environ 30 Ma aurait permis le développemen-polaire, qui aurait isolé thermiquement le continent antarctique, et aidé la croissance de la calotte antarctique. Cénozoïque dès 30 Ma, et les interactions tectonique-climat détaillées ci- (direction E- ; 10° aux pôles, pas deglaces. Ainsi le gradient de température pôle-équateur était très réduit au Crétacé (p/r à
des conditions anoxiques et le piégeage de matière organique (sans grande conséquence sur le
La situation au Crétacé était donc
différente de celle du Pléistocène, avec absence totale de circulation thermohaline, et
-Les variations du niveau marin influencent aussi les connections océaniques (favorisées en période de haut niveau). La hausse majeure du niveau marin au Crétacé, en lien avec le mers épicontinentales et-Au Paléozoïque, les variations du niveau marin contrôlées par la tectonique (fermeture du
rhéique) + glacioeustatisme piégeage de CO2 sous forme de charbon (à la limite du sujet, ne pas trop développer).4. Cycles de Wilson, Latitude des masses continentales et climat
passées, montrent que la plupart des glaciations se sont développées lorsque des continentsétaient rassemblés aux pôles (Ordovicien, Permo-carbonifère, Cénozoïque-Quaternaire).
période glaciaire prenne place. Les études paléomagnétiques ont montré que les vestiges de la
-900 Ma étaient pour la plupart à de basses latitudes, proches de des continents aux basses latitudes a probablement favorisé unealtération continentale accrue, et le piégeage de CO2. Des modèles montrent que si les glaces
l refroidConclusions : rôle du climat sur la tectonique
changements climatiques, fortes incertitudes associées à la quantification des différents
phénomènes. Etablir des relations de synchronicité entre évènements tectoniques et
de la tectonique qui du climat a contrôlé un changement environnemental, en particulier pour le rôle des chaînes de montagne. -Tectonique : cause directe des changements climatiques (ex. fermeture des isthmes), ou indirecte (volcanisme, et effets associés, ex. optimum climatique du paléocène). Tectoniquepeut accentuer une tendance vers un changement climatique, qui a été déclenché
indépendamment de la tectonique. Ex. fermeture des connections inter océaniques au Pliocène accélère le refroidissement global initié auparavant au début du Cénozoïque. -Ouverture : rôle du climat sur la tectonique, sur la formation des chaînes de montagnes.