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Variations climatiques et atmosphériques à l’échelle des temps géologiques

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Introduction :

Ce cours sera axé sur l’influence du cycle du carbone et de l’apparition de la vie sur la composition de l’atmosphère.

Dans une première partie, nous verrons comment les paléoclimatologues peuvent reconstituer un climat local au cours des temps géologiques.
Nous étudierons ensuite la reconstitution des aires climatiques et verrons comment déterminer un climat global de la planète.
Enfin, nous aboderons les relations entre le cycle de carbone et le climat, pour terminer par le développement de la vie et ses conséquences sur la composition de l’atmosphère.

L’échelle des temps géologiques

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Définition

Échelle des temps géologiques :

Système de classement chronologique qui permet de dater les grands événements de l’histoire géologique.

On représente cette échelle en séparant les différentes ères qui regroupent un certain nombre de périodes.

Par exemple, entre - 245 millions d’années et - 65 millions d’années c’est l’ère secondaire qui regroupe le Trias, le Jurassique et le Crétacé. On y voit aussi les grandes crises biologiques comme le passage du Secondaire au Tertiaire qui a vu disparaître, entre autre, les dinosaures.

Échelle des temps géologiques Échelle des temps géologiques

L’enregistrement des paléoclimats au niveau local

Certains éléments fournissent des informations importantes sur les climats du passé.

  • Les roches sédimentaires

Ces roches sont formées par le dépôt de matériaux et de sédiments en couches successives. L’étude de ces dépôts donne des informations sur les paléoclimats.
Par exemple, la craie est formée de l’accumulation de squelettes de micro-organismes marins que l’on peut identifier : ce sont des microfossiles.

Prenons l’exemple des falaises calcaires en Normandie formées lors du Crétacé supérieur. Les analyses ont montré que le calcaire est constitué :

  • en majeure partie de squelettes de Coccolithophoridés qui sont des algues microscopiques,
  • en moindre quantité de Foraminifères, qui sont des organismes unicellulaires, et plus précisément des espèces Sirtina orbitoidiformis, Pararotalia tuberculata et Goulillaudina daguini.

Corrélation entre zones climatiques et présence de microfossiles Corrélation entre zones climatiques et présence de microfossiles

La zone boréale est caractérisée par une température inférieure à 10 °C, la zone tropicale est caractérisée par une température supérieure à 20 °C et la zone transitionnelle correspond aux températures comprises entre 10 °C et 20 °C.

  • Les foraminifères retrouvés dans la craie de Normandie se retrouvent généralement en zone transitionnelle mais on les retrouve également en abondance en zone tropicale alors qu’on ne les rencontre pas en zone boréale.
  • Les Coccolithophoridés, qui sont majoritaires dans la craie de Normandie, sont présents en zone transitionnelle à partir de 18 °C et en abondance en zone tropicale.
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Astuce

On peut donc en conclure qu’au Crétacé supérieur, la Normandie était une région chaude avec des températures qui n’étaient pas inférieures à 18 °C.

  • Le charbon

Il est formé par l’accumulation de végétaux qui vont se dégrader dans un milieu spécifique.

Ici encore, on peut identifier les végétaux fossilisés dans le gisement de charbon, ce qui permet aux paléoclimatologues de définir le climat d’une zone donnée.

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Astuce

En France, la majorité des gisements de charbon datent du Permo-Carbonifère, c’est-à-dire entre - 320 et - 280 millions d’années. Dans ces gisements, on a retrouvé des fossiles de fougères qui attestent la présence de forêts tropicales à cette époque.

  • Les glaciers

​Les glaciers, lorsqu’ils se déplacent, amassent des débris de roches que l’on appelle des tills. Avec le temps, les tills vont s’agglomérer pour former des roches sédimentaires que l’on appelle des tillites. Ces roches particulières témoignent d’un climat polaire ou tempéré froid où il a existé des glaciers.

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Astuce

En Australie, dans l’Etat de Victoria, on a recensé des tillites datant du Pemo-Cambien qui attestent qu’à cette période, le climat était de type polaire ou tempéré froid.

De la reconstitution des aires climatiques au climat global

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À retenir

L’étude des sédiments permet de reconstituer le climat local des dépôts. Si l’on mutualise les différentes données locales, on peut reconstituer le climat global à l’échelle de la planète.

Les roches sédimentaires sont des marqueurs climatiques fiables car leurs conditions de formations spécifiques renseignent sur les climats passés.

Conditions de formation de roches sédimentaires et aires climatiques Conditions de formation de roches sédimentaires et aires climatiques

Les roches sédimentaires se forment de différentes manières en fonction de leurs aires climatiques respectives.

  • La bauxite et la latérite : roches formées par l’altération continentale par hydrolyse des roches siliceuses. Cette transformation ce fait dans un climat chaud et humide. La présence de ses roches sédimentaires indique un climat tropical.
  • L’évaporite : roche formée par la précipitation d’ions d’une solution salée saturée. Ce phénomène a lieu lors de l’évaporation intense d’un bassin salé. La présence d’évaporite témoigne d’un climat aride.
  • Le pétrole : il provient de l’accumulation puis de la transformation de phytoplancton. Le pétrole est fabriqué dans les marges continentales anoxiques, c’est-à-dire avec de faibles taux d’oxygène et à forte productivité primaire. la formation de pétrole peut se faire dans des climats polaires, tempérés, arides ou tropicaux.
  • Le charbon : il provient de l’accumulation puis de la transformation des végétaux continentaux ou littoraux. Cette transformation se déroule dans des bassins continentaux qui subissent un affaissement et à forte productivité primaire. Le charbon témoigne de climats tempérés froids, tempérés ou tropicaux.
  • Les tillites : résultent de l’accumulation et la compaction de produits de l’érosion glaciaire des continents. Les tillites ne peuvent être formés que par la présence d’une calotte glacière ou d’un glacier. Ces roches témoignent d’un climat polaire.

En regardant la répartition de roches sédimentaires au Permo-Carbonifère on trouve :

  • des tillites, marqueurs d’un climat polaire aux pôles ;
  • entre 30 °S et 30 °N on trouve des évaporites, marqueurs d’un climat aride ;
  • à l’Équateur on trouve du pétrole, du charbon et des bauxites et latérites, marqueurs d’un climat tropical.

Répartition roches sédimentaires Permo-Carbonifère variations climatiques atmosphériques temps géologiques Répartition de certaines roches sédimentaires au Permo-Carbonifère

Si l’on fait le même exercice avec une carte du Crétacé supérieur, on peut dire que :

  • de 60 °S à 60 °N on retrouve des sédiments marqueurs d’un climat tropical ou aride comme le pétrole, le charbon, les évaporites et les bauxites et latérites ;
  • au-delà de 60 °, on retrouve uniquement du charbon et du pétrole ce qui indique un climat plutôt tempéré qui ne correspond pas au climat des autres roches sédimentaires retrouvées plus vers l’Équateur ;
  • enfin, on ne trouve pas de tillites, marqueurs de climat glaciaire.

Répartition roches sédimentaires Crétacé Supérieur variations climatiques atmosphériques temps géologiques Répartition de certaines roches sédimentaires au Crétacé Supérieur

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Définition

Permo-Carbonifère :

Période froide avec glaciation. En effet, on remarque que de 90 ° à 60 °, c’est un climat polaire qui domine. Il n’y a un climat tropical et aride que depuis l’Équateur jusqu’à 30 °, le reste étant un climat tempéré.

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Définition

Crétacé supérieur :

Période chaude sans glaciation. En effet, les climats tropicaux et arides dominent jusqu’à 60 °, le reste étant tempéré plutôt chaud.

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À retenir

À l’échelle des temps géologiques le climat varie entre des périodes froides avec glaciation et des périodes chaudes sans glaciation.

Aires climatiques Aires climatiques

Relations entre cycle du carbone et climat

Cycle du carbone Cycle du carbone

Les sources de carbone sont les flux de carbone qui entrent dans l’atmosphère. Elles proviennent de :

  • la respiration ;
  • la précipitation des carbonates ;
  • le volcanisme ;
  • le métamorphisme des carbonates et de la matière organique.

Les puits de carbone sont les flux de carbone sortant de l’atmosphère. Ils proviennent de :

  • l’altération chimique des continents ;
  • la photosynthèse et l’enfouissement de carbone organique.
  • L'hydrolyse et la photosynthèse sont des puits de carbone car ils produisent du dioxyde de carbone.
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Définition

Hydrolyse des minéraux :

Altération des roches des continents sous l’action de l’eau.

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Définition

Photosynthèse :

Réaction des végétaux chlorophylliens afin de produire leur propre matière organique à partir d’énergie lumineuse, d’eau et de dioxyde de carbone.

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Définition

Dioxyde de carbone :

Gaz à effet de serre qui joue un rôle important dans le climat en fonction de sa quantité dans l’atmosphère.

À l’inverse, l’enfouissement du carbone se fait par exemple par fossilisation. Les données montrent que le piégeage était beaucoup plus important au Permo-carbonifère, quand le climat était glaciaire, qu’au Crétacé supérieur, quand le climat était chaud.

Piégeage du carbone par fossilisation en fonction du temps Piégeage du carbone par fossilisation en fonction du temps

Le volcanisme dégage entre autres gaz du dioxyde de carbone.

 Evolution dans le temps des émissions volcaniques de dioxyde de carbone Évolution dans le temps des émissions volcaniques de dioxyde de carbone

  • Au Permo-Carbonifère, les émissions sont plutôt basses, ce qui correspond à une période froide, alors qu’au Crétacé supérieur, qui est une période chaude, les émissions sont plus hautes.
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Astuce

Ces données confirment que plus il y a de carbone dans l’atmosphère (et donc moins il est piégé) plus le climat est chaud.

Le développement de la vie et la transformation de l’atmosphère

Développement de la vie et transformation de l’atmosphère Développement de la vie et transformation de l’atmosphère

L’atmosphère primitive était composée de dioxyde de carbone et d’azote mais était dépourvue de dioxygène.

Lorsque les cyanobactéries sont apparues dans les océans, ces derniers sont devenus oxydants.

  • On trouve alors la présence de stromatolites.
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Définition

Stromatolites :

Bio-constructions marines qui existent depuis 3,5 milliards d’années liées aux cyanobactéries.

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Définition

B.I.F :

Banded Iron Formation. Formés à partir des produits d’altération de la roche continentale.

  • Lors de l’altération des roches continentales, des ions Fe2+ sont libérés et transportés.
  • En contact avec l’oxygène des océans, ils sont réduits en ions Fe3+. Par la suite, ils vont précipiter et on obtient ses B.I.F de couleur rouge caractéristique.
  • À partir de - 2.2 milliards d’années, il y a une oxygénation progressive de l’atmosphère grâce au travail des cyanobactéries. Il y a alors formation de sols rouges en domaine continental. En effet, les ions Fe2+ libérés peuvent être oxydés avant d’arriver dans les océans car l’atmosphère est maintenant oxydante.

Conclusion :

Les fossiles enfermés dans les roches sédimentaires sont des indicateurs climatiques qui témoignent du climat local. Lorsqu’on étudie la répartition des indicateurs climatiques à l’échelle de la planète pour une période donnée, on peut reconstituer sont climat. Au cours des temps géologiques, il y a alternance entre des climats polaires avec glaciation et des climats chauds sans glaciation.

L’étude du cycle du carbone à l’échelle des temps géologiques, en mesurant l’activité des puits et des sources de carbone pour un moment donné, permet de faire le lien entre le dioxyde de carbone qui est un gaz à effet de serre et le climat.

Enfin, l’étude des formations géologiques comme les B.I.F et les sols rouges permettent de dater le passage d’une atmosphère primitive à une atmosphère oxydante vers - 2.2 milliards d’années.