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climat_ccl

 

L'évolution du climat du Silurien au Permo-Carbonifère.

Deux problèmes géologiques sous-jacents :

  
    • Quelles sont les variations du climat enregistrées du Silurien au Permo-Carbonifère?
    • Quelles sont les causes envisageables de ces variations climatiques ?
 
 Démarche:
  • Utiliser et mettre en relation des documents pour faire apparaitre l'existence d'un changement climatique entre le Silurien et le Permien et pour proposer des explications.

 

I- Exploiter des documents et formuler des hypothèses explicatives :

Document 1

 
icone_silurien.jpg

legend.jpg
icone_middle_devonian.jpg

Reconstitution paléogéographique et indices climatiques pour le Silurien, le Dévonien moyen, le Carbonifère et le Permien basal.

 

Cartes extraites du dite Paleomap Project de Chritopher R. Scotese.

http://www.scotese.com/

icone_lower_carbo.jpg

 

carbo_paysa.jpg

Les forêt marécageuses carbonifères, à l'origine de la formation des gisements de charbon.

icone_climatcarbosup.jpg

 

Le charbon se forme dans des bassins houillers qui sont des fosses continentales dans lesquelles des débris végétaux se sont accumulés suivant un mécanisme sédimentaire particulier, rythmique, dû à la subsidence de ces fosses. Suivant la position de ces bassins à l’époque de leur genèse, en bordure ou au cœur du continent, les gisements houillers présentent des caractères différents. On est ainsi amené à distinguer des bassins paraliques, limniques et de plates-formes. En dehors de leur intérêt économique, les bassins houillers fournissent une masse considérable d’informations sur les anciennes flores et les anciens paysages terrestres. Il s’est déposé des roches carbonées tout au long de l’histoire géologique de la Terre ; mais c’est seulement à partir de la fin des temps primaires qu’on en trouve des quantités importantes et exploitables.

Extrait de l'Enclopédia Universalis.

 

Ce document 1 permet à l'élève :

    •  de mettre en évidence l'existence d'un climat chaud et aride au Dévonien attesté par le présence d'évaporites,
    • de constater le refroidissement qui s'installe jusqu'au Permien inférieur dans l'hémisphère nord attesté par la présence importante de tillites,
    • d'appréhender la mise en place d'une quantité colossale de gisements de charbon aux latitudes tropicales à partir du Carbonifère inférieur sous un climat chaud et humide,
    • de conclure à l'existence d'un changement climatique avec le passage d'un climat chaud et aride au Dévonien, à un climat contrasté au Carbonifère.
    • de proposer l'hypothèse d'un lien entre le refroidissement observé et l'enfouissement de matière organique.
Document 2
icone_evolution_vgtx1.jpg

 

Les végétaux vasculaires (avec qui apparaissent les premières "racines") colonisent le milieu continental jusqu'alors occupé par des tapis d'algues et de lichens primitifs.On constate grâce aux archives paléontologiques que le taille et la profondeur des racines augmentent jusqu'au Dévonien terminal avec un enracinement déjà profond dès le Dévonien inférieur(-390 Ma) Cet enracinement profond aura eu pour effet le plus évident, une apparition de fractures dans les roches du sous-sol qui augmente la "surface d'attaque" et accélère ainsi l'altération par l'eau.

D'après Berner et al.

Dev_plant_roots.gif

L'évolution des végétaux de l'ordovicien au Carbonifère terminal. Evolution de la taille des racines des végétaux au cours du Dévonien.
 

L'altération des roches. Les minéraux des roches de la croûte continentale, en particulier dans les chaines de montagne, s'altèrent sous l'effet de l'eau. Quelques exemples :

Altération d'un Feldspath calcique :

CaAl2Si208 + 3H20 + 2C02 -->2HC03- + Ca2++ Al2Si205(OH)4

Altération d'un Pyroxène calcique :
CaSi03 + H20 + 2C02 -->Si02 + Ca2+ + 2HC03-

Les cours d'eau emportent les ions vers les océans où ils vont précipiter sous forme de calcaire :

2HC03- + Ca2+ -->CaC03 + C02 + H20

lnhorneo.gif
L'altération des roches silicatées.
Des racines primitives chez Hornéophyton trouvé sur le site écossais de Rhynie(-390 Ma).

 

Ce document 2 permet à l'élève :

  • de faire un lien entre l'augmentation de l'altération et l'apparition des premiers végétaux possédant des racines,
  • de comprendre que l'augmentation de l'altération due aux racines aura un effet sur la consommation de CO2 atmosphérique donc sur l'effet de serre.
  • de poser l'hypothèse d'un lien entre l'évolution des végétaux, notamment l'apparition de racines, et le refroidissement constaté avec le document 1.

 
Document 3

 
 

icone_silurieninf.jpg

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En marron sur la reconstitution paléogéographique du Silurien inf., les reliefs. En marron sur la reconstitution paléogéographique du Carbonifère sup., les reliefs. La collision entre la Laurasie et le Gondwana engendre la chaine Hercynienne.
Dessins : Agathe CAMBRELENG et Vincent ROMMEVAUX, Laboratoire de Géologie du Muséum national d'Histoire naturelle.
 

 Ce document 3 permet :

  • d'observer la présence de reliefs plus importants au Carbonifère sup. qu'au Silurien inf avec la construction de la chaîne Hercynienne.
  • de faire le lien à l'aide du document 2 avec une augmentation de l'altération, consommatrice de CO2 et ses conséquences sur l'effet de serre terrestre.
  • de poser l'hypothèse d'un lien entre le refroidissement constaté et la surrection de la chaîne Hercynienne.

II. Utiliser le modèle pour tester des hypothèses.

Le modèle utilisé est une adaptation de Géocarb II, modèle conçu par R.A Berner de l'université de Yale. Ce modèle du cycle du Carbone à long terme qui fonctionne sur une durée de 600 Ma, soit l'équivalent des temps phanérozoïques, comporte les 3 réservoirs fondamentaux pour les échelles de temps considérées et six flux qui lient ces réservois les uns aux autres.

 

Dans ce modèle du chercheur, les différents flux sont affectés de coefficients (fx). Il est possible d'en modifier un certain nombre pour en tester l'impact. L'impact des modifications effectuées seront directement accessibles à travers la température globale et la quantité relative de CO2 atmosphérique par rapport à l'actuel.

icone_modelsimp2.jpg

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Ce qui figure en orange dans le modèle ci-dessus sont les paramètres modifiables par l'expérimentateur. Pour les modifications permettant d'évaluer la pertinence des hypothèses nous considéront essentiellement les paramètres suivants.

 
  • L'enfouissement de la matière organique, que l'on peut modifier pour mettre en évidence son influence sur le cycle du carbone et le climat.
  • fe qui exprime l'importance des végétaux vasculaires.

Remarque : fe est un coefficient multiplicateur de l'altération des silicates, équation intégrée dans celle de la sédimentation des carbonates.

Pertinence de l'adaptation de géocarb II par rapport au modèle complet.

 

 
icone_donnees.jpg

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Résultats fournis par le modèle sur des supercalculateurs .

Le modèle est nourri de données géologiques.

enfouiss.jpg

 

Ci-dessus, enfouissement de la matière organique au cours du temps. Ces données ont été obtenues à partir de l'abondance en matière organique des roches sédimentaires de l'ensemble du phanérozoïque.(Berner et Canfield 1989)

 

On retrouve l'enfouissement extraordinaire du Carbonifère et celui du Crétacé.

 

La simulation permettra de modifier cette séquestration de carbone, en le rendant constante sur tout le phanérozoïque.

paleonvgtx.jpg

Ci-contre le fonction qui coefficiente l'altération continentale. Les chiffres 1,2 et 3 représentent des étapes majeures dans l'évolution des végétaux.

1: Apparition des végétaux vasculaires possédant des racines, a partir de Silurien terminal jusqu'à l'extension maximale des Gymnospermes.

2: Les Gymnospermes vont dominer le monde jusqu'en 3

3: Apparition des Angiospermes avec qui l'altération continentale s'accélère.
 

Il sera possible de modifer cette fonction graphique pour tester l'impact de la colonisation continentale par les végétaux.

III. Quelques exemples de résultats de simulation.

 

icone_sim.jpg

icone_scenariomocst.jpg

Simulation prenant en compte les variations de séquestration de la M.O Simulation avec un enfouissement de M.O constant sur 600 Ma. On n'observe pas de refroidissement au Permo-Carbonifère
icone_retard.jpg

icone_scenvgtxvasc.jpg

Ici on retarde l'apparition des végétaux vasculaires de plus de 100 Ma. Ci-dessus, la fonction graphique modifiée. La dimunition du CO2 jusqu'au Carbonifère est plus lente, la quantité de CO2 est plus élevée. La température est aussi plus élevée.

 

IV.Tester l'influence de l'orogénèse hercynienne

 

L'orogénèse hercynienne  commence sa surrection pour la partie méridionale dès le Dévonien et se termine au  Carbonifère supérieur avec la fermeture de l'océan Rhéic et la collision Gondwana-Laurussia. L'évolution ultime de la chaîne se situe autour de -290 MA avec l'apparition de dômes anatectiques et failles normales responsables de l'amincissement crustal post-collisionnel.

Une orogenèse est très efficace pour l'altération des roches. Le relief augmente l'érosion mécanique des roches et localement les précipitations. Ces deux facteurs favorisent de concert l'altération chimique des roches i.e la consommation de CO2 d'origine atmosphérique.

Pour déterminer si l'hypothèse est raisonnable, on se propose dans cette activité de tester quelle a pu être la consommation de CO2 provoqué par  cette augmentation de l'altération continentale.

Déterminer la surface occupée par la chaîne hercynienne


orohercyn.jpg
La chaîne hercynienne en Europe
orohercyncolor.jpg
La surface coloriée en bleu avec un logiciel de traitement d'images
orohercymes.jpg
La surface occupée par l'orogénèse hercynienne calculée grace au logicilel Mesurim, soit 240 000 Km2

Quelques données 


 
      • Quantité de silicates calciques dans le croûte continentale : 2%
      • Densité moyenne des roches : 3000 Kg/m3
      • Quantité de CO2 atmosphérique : 750 GT de C soit 2750 GT de CO2
      • La masse de CO2 consommé correspond à 78 % de la masse des silicates calciques altérés.
      • Epaisseur de croûte continentale érodée a la fin de Carbonifère  : 20 km

Calculs


Vingt km de croûte aurait disparu sur un surface de 240 000 Km2, soit un volume de 4 800 000 km3 soit 4.8 x 10^15 m3. En utilisant la densité des roches, on obtient une masse de 1.44 x 10^19 kg pour l'ensemble du massif érodé. Si on considère dans cette masse 2% de silicates calciques, on obtient un masse pour ces derniers de 2.88 x 10^17 kg.

L'altération a donc consommé, 2.88 x 10^17 kg x 0.78 soit 2.264 x 10^17 kg de CO2.

Comparé à la teneur en CO2 atmosphérique actuelle, 2.264 x 10^17 / 2,75 x 10^15 = 82

Selon cette estimation, l'altération de la chaîne hercynienne aurait consommé 82 fois la quantité de CO2 atmosphérique actuelle.



Critiques des résulats


    • Sur la détermination de la surface
L'extension de la chaîne hercynienne ne se limite pas l'europe, l'image utilisée ne représente donc qu'une partie de l'ensemble de la chaîne dont on retrouve les traces actuellement jusqu'en Amérique du Nord. Le reconstitution même est problématique, la marge sud devait avoir un forme complexe comportant des apophyses ou des microcontinents qui compliquent la reconstitution et aussi  parce que les déformations alpines l'ont profondément modifié.
On peut toutefois pour une surface plus réaliste utiliser les chiffres fournis par de nombreux auteurs soit 3000 km de long sur 700 de large.

    •  Sur la détermination de l'épaisseur de croûte disparue
L'épaisseur choisie de 20 km est une estimation grossière s'appuyant sur des données éparses et locales dont difficilement applicables à l'ensemble de la chaîne. On trouve par exemple dans les bassins limniques du Stéphanien des sédiments discordants sur un substratum métmorphisé dont le degré de métamorphisme indique que localement près de 25 Km de croûte continentale avait dejà disparu par érosion.

    •  Sur le calcul lui-même
Dans cette activité, on a considéré que l'altération de la quantité des silicates calciques a été totale, et ce n'est sûrement pas le cas. Les fleuves ne charrient pas à la mer que de l'argile (résultat de l'altération des silicates) mais aussi des galets et du sable qui contiennent des silicates calciques non altérés. Même si seulement 10% étaient altérés, cela correspondrait à la consommation de 8.2 fois la totalité du CO2 atmosphérique actuel.

IV. Conclusion

Les différents scénarii de simulation nous ont permis, selon les résultats de ce modèle, de valider les hypothèses et de les classer par ordre d'importance :

      • L'enfouissement de matière organique au Carbonifère semble être l'hypothèse à mettre en avant.
      • L'apparition des végétaux vasculaires participe au refroidissement mais dans une moindre mesure. Il accélère la diminution de CO2 pendant la première moitié du phanérozoïque et participe à ce que le taux de CO2 au Carbonifère soit plus bas.
Enfin, le calcul de la consommation du CO2 atmosphérique nous montre que l'orogénèse Hercynienne a du jouer un rôle dans le refroidissement observé puisque l'effet de serre a du être attenué de manière importante par la consommation de CO2 atmosphérique.
 

Télécharger le modèle : cycle_long600Ma

Guider vos pas pour une utilisation du modèle, utiliser l'aide à la prise en main du modèle

Prise en main du logiciel de modélisation Vensim