Climats anciens : Cénozoïque, Crétacé et glaciation permo-carbonifère

Complète avec le mot exact.

1. La période qui va de −66 Ma à aujourd’hui est le .
   Le Cénozoïque, l’ère du refroidissement par paliers qui aboutit aux glaciations du Quaternaire.
2. Le Crétacé est la dernière période de l’ère du .
   Le Mésozoïque (−252 à −66 Ma) : Trias, Jurassique, Crétacé.
3. La glaciation du Carbonifère-Permien appartient à l’ère du .
   Le Paléozoïque : le Carbonifère et le Permien en sont les deux dernières périodes.
4. Une calotte glaciaire ne peut s’édifier que sur un de haute latitude.
   Sur un continent : sur l’océan, la glace de mer reste mince et ne forme pas de calotte.
5. Une variation climatique qui dure 30 millions d’années a des causes (orbitales ou tectoniques).
   Tectoniques : les paramètres orbitaux rythment des cycles beaucoup trop courts.
6. Pour les climats de plusieurs millions d’années, on lit le δ¹⁸O des tests de foraminifères conservés dans les marins.
   Dans les sédiments marins : les carottes de glace polaire ne couvrent que le dernier million d’années environ.

Pour chaque observation, indique la cause la plus probable : O (paramètres orbitaux) ou T (tectonique : CO₂ ou position des continents).

1. Des maxima de température se répètent tous les 41 000 ans dans une carotte marine. →
   O : 41 000 ans est la période de l’obliquité, beaucoup trop courte pour la tectonique.
2. Le δ¹⁸O des foraminifères benthiques augmente de 2 ‰ en 15 millions d’années. →
   T : une tendance de 15 Ma exige une cause lente, la baisse du CO₂ ou un changement de la circulation océanique.
3. Pendant 60 millions d’années, aucune calotte permanente ne se forme. →
   T : un climat chaud aussi durable s’explique par un CO₂ élevé, entretenu par le volcanisme.
4. Une calotte s’installe peu après l’ouverture d’un passage océanique autour d’une terre polaire. →
   T : la position des continents commande la circulation océanique, donc le transport de chaleur vers ce continent.
5. Des couches de sédiment alternent avec un rythme de 23 000 ans. →
   O : c’est l’une des périodes de la précession climatique.

Calcule et raisonne. Données : température moyenne du globe entre 11 °C et 36 °C depuis 485 Ma, environ 15 °C aujourd’hui ; forêt pluviale à 82° S de paléolatitude vers −90 Ma en Antarctique de l’Ouest ; calotte antarctique permanente vers −34 Ma ; glaciation du Carbonifère-Permien d’environ 70 Ma ; Quaternaire depuis 2,6 Ma.

1. Écart entre la température moyenne la plus chaude de ces 485 Ma et l’actuelle : °C.
   36 − 15 = 21 °C : les climats anciens les plus chauds dépassent de loin tout ce que l’humanité a connu.
2. L’Antarctique est resté au moins millions d’années près du pôle Sud sans calotte permanente.
   Il est déjà à 82° S vers −90 Ma, et la calotte n’apparaît que vers −34 Ma : 90 − 34 = 56 Ma au moins.
3. La glaciation du Carbonifère-Permien a duré fois plus longtemps que cette période sans calotte (au centième).
   70 ÷ 56 = 1,25 : un continent peut rester des dizaines de millions d’années près du pôle sans calotte. La position polaire ne suffit pas : il faut aussi un CO₂ assez bas.
4. La glaciation du Carbonifère-Permien a duré environ fois plus longtemps que le Quaternaire jusqu’ici (à l’unité).
   70 ÷ 2,6 ≈ 26,9, soit environ 27 fois.
5. Une glaciation de 70 Ma ne peut pas être expliquée par les paramètres orbitaux, qui varient en d’années (milliers ou millions).
   En dizaines de milliers d’années : leurs cycles moduleraient la glaciation, ils ne peuvent pas l’entretenir 70 Ma.

Observations sur le Crétacé moyen (vers −100 Ma). Complète.

1. Des restes de reptiles et de végétaux à larges feuilles dans des roches formées à 70° de paléolatitude : les hautes latitudes étaient (douces ou glacées).
   Douces : des organismes qui ne supportent pas le gel vivaient près du cercle polaire.
2. Aucun dépôt glaciaire de cet âge n’est connu : il n’existait pas de permanente.
   Pas de calotte permanente : sans glacier, pas de tillite.
3. Des couches épaisses de craie marine recouvrent le cœur de l’Europe actuelle : le niveau marin était .
   Il était élevé : une mer recouvrait une partie des continents.
4. Une teneur en CO₂ estimée à 4 fois la valeur préindustrielle de 280 ppm vaut ppm.
   4 × 280 = 1 120 ppm : un effet de serre renforcé, cohérent avec l’absence de calotte et la douceur des hautes latitudes.
5. Sous l’axe d’une dorsale, la fusion partielle du manteau libère des gaz, dont du .
   Du CO₂ : plus la production de croûte est forte, plus le dégazage est important.
6. Le plateau d’Ontong Java, mis en place vers −120 Ma, est une grande province .
   Une grande province magmatique : plusieurs dizaines de millions de km³ de basalte en quelques millions d’années, et autant de CO₂ dégazé.

La figure représente, d’après la carte géologique du monde (valeurs simplifiées), une bande de fond océanique d’un côté d’une dorsale, avec les isochrones. On admet l’expansion symétrique.

1. Demi-vitesse entre 0 et 34 Ma : km/Ma.
   510 ÷ 34 = 15 km/Ma, soit 1,5 cm/an.
2. Demi-vitesse entre 66 et 84 Ma : km/Ma.
   Entre deux isochrones : (1 690 − 1 150) ÷ (84 − 66) = 540 ÷ 18 = 30 km/Ma.
3. Demi-vitesse entre 84 et 120 Ma : cm/an.
   (2 950 − 1 690) ÷ (120 − 84) = 1 260 ÷ 36 = 35 km/Ma = 35 mm/an = 3,5 cm/an.
4. Vitesse d’expansion de la dorsale entre 84 et 120 Ma : cm/an.
   Expansion symétrique : 2 × 3,5 = 7 cm/an. Piège : la demi-vitesse ne mesure qu’un côté.
5. Demi-vitesse moyenne depuis 120 Ma, mesurée de l’axe à l’isochrone de 120 Ma : km/Ma (au dixième).
   2 950 ÷ 120 ≈ 24,6 km/Ma. Cette moyenne cache des vitesses de 35 km/Ma au Crétacé et de 15 km/Ma depuis 34 Ma.
6. La demi-vitesse entre 84 et 120 Ma vaut fois celle des 34 derniers millions d’années (au dixième).
   35 ÷ 15 ≈ 2,3 : l’expansion était bien plus rapide au Crétacé, d’où un dégazage plus fort et un climat chaud.

Un modèle simplifié (valeurs arrondies) : la production de croûte océanique vaut longueur totale des dorsales × vitesse d’expansion, et le dégazage aux dorsales lui est proportionnel. Aujourd’hui : 62 000 km de dorsales, 5 cm/an en moyenne ; vers −110 Ma : 70 000 km, 6 cm/an.

1. Production de croûte actuelle : km²/an.
   5 cm/an = 0,000 05 km/an ; 62 000 × 0,000 05 = 3,1 km²/an. Piège : multiplier des km par des cm sans convertir donne 310 000.
2. Production de croûte vers −110 Ma : km²/an.
   70 000 × 0,000 06 = 4,2 km²/an.
3. Le dégazage aux dorsales était alors multiplié par par rapport à aujourd’hui (au dixième).
   4,2 ÷ 3,1 ≈ 1,35, soit environ 1,4 : le dégazage est proportionnel à la production de croûte.
4. Si, en partant d’un équilibre où tout le dégazage vient des dorsales, l’altération des silicates n’augmente que de 20 %, sources − puits devient (positif ou négatif).
   Positif : les sources sont multipliées par 1,35 et les puits par 1,2 seulement. Le CO₂ monte jusqu’à ce que le réchauffement accélère assez l’altération (thermostat) : l’équilibre se rétablit à un CO₂ plus élevé.
5. Une vitesse d’expansion de 5 cm/an correspond à une demi-vitesse de km/Ma.
   5 ÷ 2 = 2,5 cm/an = 25 mm/an = 25 km/Ma.

Complète avec le mot ou le nombre exact.

1. Une hausse du δ¹⁸O des foraminifères benthiques traduit un des eaux profondes et/ou une extension des glaces.
   Un refroidissement : l’erreur classique est d’y lire un réchauffement.
2. À l’optimum de l’Éocène, vers −50 Ma, la température moyenne du globe est estimée à environ °C.
   Environ 27 °C, 10 à 16 °C de plus qu’avant l’ère industrielle (Inglis et al., 2020).
3. Les glaciations de l’hémisphère Nord commencent vers − Ma.
   Vers −2,7 Ma : le refroidissement cénozoïque aboutit aux cycles glaciaires du Quaternaire.
4. Une fois la calotte antarctique installée, son élevé renvoie vers l’espace une grande partie du rayonnement solaire.
   Son albédo : la glace réfléchit le rayonnement solaire, ce qui renforce le froid (rétroaction).
5. La fermeture de l’isthme de , vers −3 Ma, réorganise la circulation de l’Atlantique.
   L’isthme de Panama sépare alors l’Atlantique du Pacifique : la circulation de l’Atlantique se réorganise.
6. La calotte permanente de l’Antarctique s’installe vers −34 Ma, à la limite entre l’Éocène et l’.
   L’Oligocène : la limite Éocène-Oligocène marque le passage à un monde avec une calotte permanente.

Raisonne sur la chronologie. Repères : collision Inde-Asie vers −50 Ma ; passage de Tasmanie vers −34 Ma ; calotte antarctique vers −34 Ma ; passage de Drake vers −30 Ma ; CO₂ de l’ordre de 1 000 ppm à l’Éocène, 280 ppm à l’époque préindustrielle.

1. Le passage de Drake s’ouvre millions d’années après l’installation de la calotte.
   34 − 30 = 4 Ma après.
2. D’après la chronologie, l’ouverture du passage de Drake a pu l’englacement de l’Antarctique (déclencher ou renforcer).
   Le renforcer : une cause doit précéder son effet. Cela rejoint les modèles qui font de la baisse du CO₂ le facteur principal.
3. La collision Inde-Asie précède la calotte antarctique de millions d’années.
   50 − 34 = 16 Ma.
4. Un tel délai est cohérent avec un puits de CO₂ qui agit (lentement ou brutalement).
   Lentement : l’altération accrue retire le CO₂ peu à peu, pendant des millions d’années, jusqu’à franchir un seuil favorable à la calotte.
5. De l’Éocène à l’époque préindustrielle, le CO₂ est divisé par environ (au dixième).
   1 000 ÷ 280 ≈ 3,57, soit environ 3,6.

Valeurs choisies pour un modèle : teneur en CO₂ de 1 100 ppm à −50 Ma, 800 ppm à −36 Ma, 680 ppm à −33 Ma, 500 ppm à −25 Ma. On admet qu’une calotte permanente se forme sur l’Antarctique dès que le CO₂ passe sous 740 ppm, et que le CO₂ varie régulièrement entre deux dates du tableau.

1. Baisse moyenne du CO₂ entre −50 et −36 Ma : ppm par million d’années (à l’unité).
   (1 100 − 800) ÷ (50 − 36) = 300 ÷ 14 ≈ 21 ppm par Ma.
2. Baisse moyenne entre −36 et −33 Ma : ppm par million d’années.
   (800 − 680) ÷ 3 = 120 ÷ 3 = 40 ppm par Ma : la baisse s’accélère.
3. D’après ce modèle, le seuil de 740 ppm est franchi vers − Ma (au dixième).
   De 800 à 740 ppm : 60 ppm à 40 ppm par Ma, soit 1,5 Ma après −36 Ma : 36 − 1,5 = −34,5 Ma, proche de l’âge observé de la calotte (−34 Ma).
4. À −25 Ma, le CO₂ est inférieur au seuil de ppm.
   740 − 500 = 240 ppm sous le seuil : la calotte peut persister.
5. Teneur en CO₂ à −29 Ma d’après ce modèle : ppm.
   Entre −33 et −25 Ma : (680 − 500) ÷ (33 − 25) = 180 ÷ 8 = 22,5 ppm par Ma ; à −29 Ma : 680 − 4 × 22,5 = 590 ppm. Ce n’est qu’une interpolation : entre deux mesures espacées de plusieurs Ma, le CO₂ a pu varier autrement.

Complète avec le mot ou le nombre exact.

1. Vers −300 Ma, le sud du Gondwana est centré sur le pôle .
   Le pôle Sud : le sud du Gondwana (Afrique, Amérique du Sud, Inde, Australie et Antarctique actuels) y forme un seul bloc.
2. La tillite de Dwyka affleure en Afrique .
   En Afrique australe, aujourd’hui loin du pôle.
3. Le bassin houiller de Montceau-les-Mines date du Carbonifère (inférieur ou supérieur).
   Du Carbonifère supérieur (Stéphanien supérieur, vers −300 Ma), au maximum de la glaciation du Gondwana.
4. Les stries d’une roche polie par un glacier donnent le sens d’ de la glace.
   D’écoulement : du centre de la calotte vers ses bords.
5. La glaciation du Carbonifère-Permien a duré environ millions d’années.
   Environ 70 Ma : la plus longue du Phanérozoïque.
6. Les évaporites de cette époque se déposent dans les ceintures arides.
   Dans les ceintures subtropicales arides, où l’évaporation dépasse les apports d’eau.

Indices datés d’environ −300 Ma, avec la paléolatitude de leur lieu de formation (base de données simplifiée). Nomme la ceinture climatique indiquée : glaciaire, tempérée, subtropicale aride ou équatoriale humide.

1. Tillite qui affleure aujourd’hui à 15° S, formée à 57° S. → ceinture
   Ceinture glaciaire : on lit la paléolatitude (57° S), pas la latitude actuelle, tropicale. Le continent a dérivé depuis.
2. Charbon riche en troncs de lycopsides, formé à 3° S. → ceinture
   Ceinture équatoriale humide : marécages boisés sous un climat chaud et humide.
3. Charbon d’une flore pauvre en espèces, formé à 55° N. → ceinture
   Ceinture tempérée : piège, un charbon seul ne prouve pas un climat chaud (une tourbière se forme aussi sous un climat froid et humide). La paléolatitude (55° N) et la flore pauvre placent ce marécage hors de la ceinture équatoriale.
4. Gypse et sel gemme formés à 24° N. → ceinture
   Ceinture subtropicale aride : évaporites, comme sous les déserts tropicaux actuels.
5. Roche polie et striée, avec des blocs erratiques, formée à 66° S. → ceinture
   Ceinture glaciaire : stries et blocs erratiques sont laissés par la glace de la calotte du Gondwana.

Calcule. On prend 1° de latitude ≈ 111 km. Valeurs choisies : un lieu du Gondwana est à 68° S vers −300 Ma et à 31° S aujourd’hui ; on admet que Montceau-les-Mines (46,7° N aujourd’hui) était sur l’équateur vers −300 Ma.

1. Le lieu du Gondwana s’est déplacé de degrés de latitude.
   68 − 31 = 37° (les deux latitudes sont dans l’hémisphère Sud).
2. Soit, mesurée le long d’un méridien, une distance d’environ km.
   37 × 111 = 4 107 km.
3. Vitesse moyenne de ce déplacement en latitude : km par million d’années (au dixième).
   4 107 ÷ 300 ≈ 13,7 km/Ma, soit environ 1,4 cm/an. C’est un minimum : un déplacement en longitude ne change pas la latitude et échappe à ce calcul.
4. Montceau-les-Mines a remonté vers le nord d’environ km depuis −300 Ma (à l’unité).
   46,7 × 111 = 5 183,7, soit environ 5 184 km.
5. Vitesse moyenne de cette remontée : km par million d’années (au dixième).
   5 183,7 ÷ 300 ≈ 17,3 km/Ma.

Complète avec le mot exact.

1. La chaîne hercynienne naît de la collision du Gondwana et de la .
   La Laurussia, entre −380 et −300 Ma environ.
2. La chaîne hercynienne s’étire alors le long de l’.
   L’équateur : reliefs, chaleur et pluies y favorisent l’altération des silicates.
3. Le bois des premières grandes forêts est riche en , une molécule rigide et difficile à décomposer.
   En lignine : ses restes s’accumulent dans les marécages sans être entièrement décomposés.
4. Vers −270 Ma, la chaîne hercynienne est largement : moins de relief, moins d’altération.
   Arasée : le puits de l’altération faiblit.
5. Au Permien, les marécages à charbon régressent quand l’intérieur de la Pangée devient .
   Aride : sans eau, l’altération ralentit aussi ; les deux puits faiblissent ensemble.
6. Le réchauffement actuel, d’environ 1,2 °C en 150 ans, est lié aux émissions de gaz à effet de serre.
   Aux émissions humaines : sa cause et sa vitesse le distinguent des variations des climats anciens.

Calcule à partir de l’équation de la photosynthèse : 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂. Masses molaires : C₆H₁₂O₆ 180 g/mol ; CO₂ 44 g/mol ; O₂ 32 g/mol. On assimile la matière organique enfouie à du glucose.

1. Pour former 3 mol de glucose, la photosynthèse fixe mol de CO₂.
   3 × 6 = 18 mol de CO₂.
2. Masse de CO₂ fixée par la formation de 360 g de glucose : g.
   360 ÷ 180 = 2 mol de glucose ; 2 × 6 = 12 mol de CO₂ ; 12 × 44 = 528 g.
3. Deux tonnes de matière organique enfouies sans décomposition retirent durablement t de CO₂ (au centième).
   Pour 180 g de glucose, 6 mol de CO₂ à 44 g/mol, soit 264 g : la masse de CO₂ vaut 264/180 de celle du glucose. 2 × 264 ÷ 180 ≈ 2,93 t.
4. Masse de dioxygène libérée par la formation de 180 g de glucose, qui reste dans l’air si cette matière est enfouie : g.
   1 mol de glucose libère 6 mol de O₂ : 6 × 32 = 192 g. L’enfouissement massif de matière organique enrichit l’air en dioxygène.

Un modèle de bilan (unités arbitraires, valeurs choisies). Vers −300 Ma : dégazage volcanique 9 ; altération de la chaîne hercynienne 6 ; enfouissement de matière organique 4. Vers −270 Ma : le dégazage ne change pas, l’altération est divisée par 2 et l’enfouissement baisse de 75 %.

1. Bilan sources − puits vers −300 Ma : .
   9 − (6 + 4) = −1 : les puits l’emportent.
2. Le CO₂ donc vers −300 Ma (augmente ou baisse).
   Il baisse : l’effet de serre s’affaiblit, la glaciation se maintient.
3. Total des puits vers −270 Ma : .
   Altération : 6 ÷ 2 = 3 ; enfouissement : 4 × 0,25 = 1 ; total 3 + 1 = 4. Piège : « baisser de 75 % » ne laisse que le quart, pas les trois quarts.
4. Bilan sources − puits vers −270 Ma : .
   9 − 4 = +5 : le CO₂ remonte et la glaciation prend fin.
5. Pour retrouver l’équilibre avec un enfouissement de 1, l’altération devra atteindre (par le réchauffement).
   9 − 1 = 8 : le réchauffement accélère l’altération jusqu’à compenser le dégazage. C’est le thermostat géologique.