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L'évolution du climat du Silurien au Permo-Carbonifère

• 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 apparaître l'existence d'un changement climatique entre le Silurien et le Permien et pour proposer des hypothèses explicatives.
• Utiliser le modèle du cycle du carbone à long terme afin de tester les différentes hypothèses en terme de validité et d'importance relative.

I.Faire émerger les hypothèses

Document 1

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

Agrandir l'image	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.
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 chaînes 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
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

Ce document 3 permet :

II.Utiliser le modèle et tester les 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.

Ce qui figure en orange dans le modèle ci-dessus sont les paramètres modifiables par l'espérimentateur et permettant d'évaluer la pertinence des hypothèses :

• 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 la sédimentation des carbonates.

I. Le modèle à l'équilibre.

1. Ouvrir cycle_ long600Mast avec Venread.

2. Dans la barre d'outils en haut de l'écran, indiquer le nom de la simulation qui va être effectuée.

3. Cliquer sur l'icône pour lancer la simulation. Dans la fenêtre "graphiques" sous le modèle apparaît la courbe des températures calculée par le modèle pour les derniers 600Ma ainsi que la valeur relative de CO2 atmophérique.

4. Repérer quelques valeurs de température pour la période étudiée ( autour de 300 Ma) en cliquant sur le rond rouge "température" du modèle et en utilisant ensuite l'icône situé à gauche de l'écran

II. Tester l'influence de l'enfouissement de la matière organique au Carbonifère.

1. Selon le même principe que le I.2, renommer la nouvelle simulation.

2. Lancer le mode de simulation . Ce mode de simulation, différent du premier, permet à l'utilisateur de modifier des paramètres du modèle.

3. Utiliser le curseur (voir ci_dessous) qui correspond en position 1 aux variations géologiques d'enfouissement de la matière organique enregistrées sur le terrain et en position 0 à un enfouissement constant sur la durée de la simulation.

4. Comparer avec les valeurs à l'équilibre en utilisant , ou comparer en utilisant une superposition de la courbe de température à l'équilibre avec celle de la simulation juste réalisée : cliquer sur le rond rouge température du modèle et ensuite sur l'icône . Les deux courbes de température sont superposées et permettent une comparaison.

5. Conclure... et appuyer sur pour stopper la simulation.

III. Tester l'influence de l'avènement des végétaux vasculaires.

1. Renommer la nouvelle simulation, végétaux vasculaires par exemple.

2. Lancer le même mode de simulation que précédemment .

3. Cliquer sur l'icône fe, la fenêtre qui apparaît ci-dessous correspond aux données paléontologiques d'évolution des végétaux. fe est un coefficient multiplicateur de l'altération des silicates par les racines des végétaux.

4. Retarder l'apparition des végétaux vasculaires de 100 Ma manuellement en utilisant la souris ou en modifiant le tableau de valeurs à gauche en attribuant le coefficient 0.175 (avant l'apparition de végétaux vasculaires) jusqu'à 300 Ma.

5. Même procédure qu'en II.4 pour comparer la courbe des températures.

6. Conclure... et appuyer sur pour stopper la simulation.

Laisser modèle ouvert tel quel, il sera réutilisé plus loin dans l'activité.

IV. Tester l'influence de l'orogenèse hercynienne.

Déterminer la surface occupée par la chaîne hercynienne.

1.Ouvrir avec un logiciel de traitement d'images, l'image orohercyn située dans le dossier cycle long.

2.Colorer en bleu la surface de la chaîne Hercynienne en Europe. Enregistrer la nouvelle image et l'ouvrir avec Mesurim (raccourci sur le bureau). Une image colorée est directement accessible dans le dossier cycle long, orohercyncolor.

3. Dans le menu, choisir Image puis Créer/modifier l'Echelle. Choisir échelle à définir et renseigner les cases unités et valeur. Enregistrer l'échelle.

4. Choisir Choix, outils de mesure, surface. Cliquer sur la zone colorée en bleue et sur Mesurer.

5. En utilisant la surface de la chaîne hercynienne déterminée avec Mesurim, calculer la quantité de CO2 consommée par son érosion jusqu'a la fin du Carbonifère.

Des données pour le calcul

• Epaisseur de croûte continentale érodée a la fin de Carbonifère : 20 km
• 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.

Correction du calcul et critiques des résultats obtenus

Répondre au problème posé. Les différentes hypothèses sont toutes les trois pertinentes.

1. Retour au modèle et comparer non plus les résultats de température, mais ceux de la RCO2 (masse de CO2 atm au temps t / masse de CO2 atm actuelle) en cliquant sur la "quantité relative de Catm (= RCO2)" puis sur pour visualiser graphiquement les résultats et sur pour une visualisation chiffrée.

2. Comparer ces valeurs à celle de la quantité de CO2 consommée par la surrection Hercynienne. (IV.6 qui correspond à la variation de RCO2 induite par la consommation du CO2 atmosphérique)

3. Classer les causes du refroidissement par ordre d'importance.

 Lien vers l'activité 10