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Climats passés : les indices et le thermomètre isotopique
Indices et archives des climats passés lus par l’actualisme (roches, moraines, paléolatitude), thermomètre isotopique (δ¹⁸O des glaces et des carbonates marins), carottes de glace et âge de l’air, pollens, faune et mégafaune des peintures rupestres, datation des archives, convergence et discordances des indices sur le dernier maximum glaciaire et l’Holocène.
À propos de cette page
Indices, archives et actualisme : lire les roches et les paysages
Rappel. En 3e, tu as vu que les carottes de glace, les pollens et les blocs erratiques témoignent d’une alternance de périodes glaciaires et interglaciaires (« Changement climatique : effet de serre, causes et conséquences ») ; en 2de, que chaque milieu de dépôt laisse des roches caractéristiques et qu’on les interprète par l’actualisme (« Sédimentation : dépôt, milieux et diagenèse »). Ici, on fait de ces observations des mesures du climat passé.
— Principe d’actualisme : les processus actuels (fractionnement des isotopes, exigences climatiques des êtres vivants, conditions de formation des roches) obéissaient aux mêmes lois dans le passé. On interprète un indice ancien par comparaison avec ce que l’on observe aujourd’hui. Ses limites : une espèce disparue n’a pas d’équivalent actuel, les exigences d’une espèce ont pu changer, et certaines situations passées n’existent plus (calottes géantes sur l’Amérique du Nord et l’Europe du Nord).
— Indices glaciaires du paysage : un glacier laisse des moraines (débris non triés de toutes tailles), des blocs erratiques (blocs transportés loin de leur roche d’origine), des roches polies et striées (les stries donnent le sens d’écoulement de la glace) et des vallées en U (auges glaciaires). Consolidée, une moraine devient une tillite. Une moraine frontale dessine un arc à l’avant du glacier : cartographier les fronts morainiques d’un même glacier, c’est reconstituer son extension maximale (l’arc le plus éloigné) puis les étapes de son recul (les arcs intérieurs, plus récents).
— Paléolatitude : au-delà de quelques dizaines de millions d’années, les continents ont dérivé ; on interprète une roche à la latitude qu’occupait le lieu à l’époque, pas à sa latitude actuelle.
| Indice | Formation actuelle | Climat indiqué |
|---|---|---|
| Tillite, moraine, blocs erratiques, roches striées, vallée en U | action d’un glacier | froid, glaciation |
| Évaporites (gypse, sel gemme) | évaporation supérieure aux apports d’eau | chaud et aride |
| Charbon | accumulation de végétaux dans des marécages | humide, végétation abondante |
| Bauxite, latérite | altération intense des roches | chaud et humide (tropical) |
| Calcaire récifal | construction par des coraux | eaux chaudes (tropicales), peu profondes |
| Loess, dunes fossiles | dépôts par le vent | sec, végétation rare |
Lire une carte de fronts morainiques. Dans une vallée des Pyrénées, trois arcs de moraines barrent la vallée à 9 km, 6 km et 2 km du front actuel du glacier (situation choisie). L’arc à 9 km marque l’avancée maximale ; ceux à 6 km et 2 km, déposés ensuite, marquent des arrêts pendant le recul. Pour les placer dans le temps, il faut les dater (bois pris dans la moraine, tourbe déposée juste derrière).
Lire une succession de roches. Dans un forage, un calcaire récifal est surmonté de gypse puis de sel gemme : la mer chaude et peu profonde s’est isolée et évaporée sous un climat devenu aride.
Réflexe — pour chaque indice : quel processus actuel le forme → quel climat ce processus exige ; puis je vérifie l’âge (paléolatitude au-delà de quelques dizaines de millions d’années).
Attention — un indice isolé ne prouve presque rien : un bloc déplacé par un fleuve est arrondi, un bloc erratique reste anguleux ; un récif ancien trouvé à haute latitude ne prouve pas une mer tropicale à cet endroit si le continent a dérivé.
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Le thermomètre isotopique : δ¹⁸O des glaces et des carbonates
— Fractionnement isotopique : les molécules d’eau légères (H₂¹⁶O) s’évaporent plus facilement ; les lourdes (H₂¹⁸O) se condensent en premier. En route vers les pôles, la vapeur perd son ¹⁸O à chaque précipitation.
— Dans la glace polaire : plus l’air est froid, plus la condensation a été poussée, plus la neige est pauvre en ¹⁸O. δ¹⁸O de la glace bas ⇔ climat froid. La relation est à peu près linéaire : environ 0,7 ‰ par °C au Groenland. Le deutérium (δD) se comporte de même (environ 6 ‰ par °C en Antarctique). C’est un thermomètre isotopique : il donne la température locale, au-dessus du site, quand la neige est tombée.
— Dans les carbonates marins (tests calcaires des foraminifères, planctoniques en surface ou benthiques au fond) : en période glaciaire, l’eau riche en ¹⁶O est stockée dans les calottes et l’océan s’enrichit en ¹⁸O ; de plus, la calcite formée en eau plus froide incorpore davantage de ¹⁸O (environ 0,23 ‰ de plus par degré de refroidissement, d’après l’équation de Shackleton, 1974). δ¹⁸O des foraminifères élevé ⇔ période glaciaire : il reflète surtout le volume des glaces continentales, et en partie la température de l’eau.
| Archive | Période glaciaire | Période interglaciaire |
|---|---|---|
| Glace polaire | δ¹⁸O bas | δ¹⁸O plus élevé |
| Foraminifères | δ¹⁸O élevé | δ¹⁸O plus bas |
Figure 1 — Allure des deux courbes sur 150 000 ans (valeurs schématiques ; en gris, les périodes glaciaires, en blanc, les interglaciaires) : elles varient en miroir, car c’est la même eau, partagée entre les calottes et l’océan.
Calculer un δ¹⁸O. Une glace a un rapport R = 1,931 0 × 10⁻³ ; la référence a R = 2,005 2 × 10⁻³. ‰ : la glace est plus pauvre en ¹⁸O que l’eau de mer.
Convertir en température. Une baisse de 4,2 ‰ du δ¹⁸O d’une glace groenlandaise correspond à un refroidissement d’environ °C au-dessus du site.
Réflexe — avant de lire une courbe de δ¹⁸O, j’identifie l’archive : glace (bas = froid) ou foraminifères (élevé = froid et calottes étendues) ; je divise l’écart de δ par le coefficient du site pour obtenir un écart de température.
Attention — les deux archives varient en sens inverse : lire une hausse du δ¹⁸O des foraminifères comme un réchauffement est l’erreur classique. Un δ¹⁸O négatif n’est pas une température négative : c’est un écart à une référence. Et l’écart de température se calcule en divisant par le coefficient, jamais en multipliant.
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Les carottes de glace : plusieurs indices au même niveau
| Indice mesuré | Ce qu’il renseigne |
|---|---|
| δ¹⁸O et δD de la glace | température locale lors de la chute de neige |
| Air des bulles | composition de l’atmosphère (CO₂, CH₄) |
| Poussières | aridité des continents, force des vents |
| Cendres, pics de sulfates | éruptions volcaniques (repères de datation) |
Âge du gaz et âge de la glace. La neige se tasse en névé, poreux, où l’air circule encore et se renouvelle ; il n’est piégé dans des bulles qu’à la base du névé (vers 50 à 120 m de profondeur). L’air des bulles est donc plus jeune que la glace qui l’entoure : de quelques siècles au Groenland (forte accumulation de neige) à quelques milliers d’années en Antarctique central (faible accumulation). Ce décalage est plus grand en période glaciaire, où il neige moins.
Dans la carotte EPICA, la succession des minimums de δD et de CO₂ montre huit cycles glaciaires depuis environ 800 000 ans (EPICA, Nature, 2004) : l’amplitude et la période des variations se lisent sur ces courbes ; leurs causes sont étudiées dans le chapitre suivant.
Âge de l’air. Une glace datée de 42 300 ans, sur un site où le décalage glace-gaz vaut 3 100 ans, contient un air de 42 300 − 3 100 = 39 200 ans : on le compare à la glace de 39 200 ans, située plus haut dans la carotte.
Lire deux indices au même âge. À Dôme C, les bulles contiennent environ 185 ppm de CO₂ au dernier maximum glaciaire, contre environ 280 ppm avant la révolution industrielle, alors que le δD de la glace y est minimal : CO₂ bas et froid vont ensemble.
Réflexe — température dans la glace, gaz dans les bulles : pour comparer, j’associe des âges identiques, pas des profondeurs identiques.
Attention — à une même profondeur, l’air est plus jeune que la glace : il faut retirer le décalage, pas l’ajouter. Et le δD d’une carotte antarctique donne la température de l’Antarctique, où les variations sont amplifiées, pas la moyenne de la planète.
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Les indices biologiques et préhistoriques : pollens et mégafaune
— On compte quelques centaines de grains par niveau, on exprime chaque taxon en pourcentage et on construit un diagramme pollinique (pourcentages en fonction de la profondeur ou de l’âge). On regroupe les taxons en groupes écologiques, puis on applique l’actualisme.
— Limites : le pin produit un pollen ailé transporté très loin, il est surreprésenté ; la végétation réagit au climat avec un retard (les espèces doivent migrer depuis leurs zones refuges) ; l’agriculture perturbe le signal depuis le Néolithique.
— Autres indices biologiques : assemblages de foraminifères (espèces d’eaux froides ou chaudes), coraux constructeurs de récifs (eaux chaudes et peu profondes), coléoptères (insectes aux exigences thermiques précises : on retient l’intervalle de températures commun à toutes les espèces d’un niveau).
— Indices préhistoriques : les peintures rupestres montrent la faune que chassaient ou observaient les humains. Dans la grotte Chauvet (Ardèche), fréquentée et ornée à partir d’environ 36 000 ans (ministère de la Culture), figurent des mammouths, des rhinocéros laineux, des lions des cavernes, des ours et des rennes : une mégafaune de climat froid et de paysage ouvert. Le renne vit aujourd’hui dans la toundra et la taïga ; pour le mammouth, disparu, l’actualisme ne s’applique qu’indirectement (épaisse toison, flore associée dans les sédiments).
| Groupe | Exemples | Climat actuel associé |
|---|---|---|
| Arbres thermophiles | chêne, noisetier, tilleul, orme | tempéré, doux et humide |
| Arbres de climat froid | pin, bouleau | frais à froid |
| Herbacées steppiques | armoise, graminées | froid et sec, paysage ouvert |
Exploiter un spectre pollinique. Herbacées steppiques : 27 + 19 = 46 % ; arbres de climat froid : 38 + 12 = 50 %, mais le pin est surreprésenté ; chêne : 4 %. Le paysage était une steppe parsemée de bouleaux et de pins : climat froid et sec.
Réflexe — taxons → groupes écologiques (j’additionne leurs pourcentages) → paysage et climat actuels associés → nuances (pin, retard de la végétation) → âge du niveau.
Attention — un fort pourcentage de pin ne prouve pas une pinède autour du site : son pollen voyage loin. Et une peinture n’est pas un relevé : elle montre des animaux choisis par les artistes, qu’il faut confronter aux ossements et aux pollens de la même époque.
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Dater les archives du climat
Rappel. La radiochronologie (décroissance radioactive, demi-vie, fermeture du système) est traitée dans le chapitre « Temps et roches : chronologie relative et radiochronologie » ; on l’applique ici aux archives du climat.
— Comptage de couches annuelles : dans la glace (alternance été/hiver visible dans les poussières, le δ¹⁸O, l’acidité) ou dans les sédiments lacustres (varves), une couche correspond à un an. On obtient un âge absolu, de moins en moins précis en profondeur car les couches s’amincissent.
— Carbone 14 : un organisme vivant renouvelle son carbone ; à sa mort, son ¹⁴C décroît (demi-vie T = 5 730 ans) : . La méthode s’applique à la matière organique et aux carbonates biologiques (bois, tourbe, pollens concentrés, foraminifères), jusqu’à environ 50 000 ans.
— Marqueurs et corrélations : une couche de cendres ou un pic de sulfates d’une éruption datée, une inversion du champ magnétique enregistrée dans les sédiments marins permettent de synchroniser des archives éloignées.
— Vitesse de sédimentation : si elle est constante, âge = profondeur ÷ vitesse ; entre deux repères datés, on interpole.
Dater au carbone 14. Une tourbe a conservé 31 % de son ¹⁴C : ans. Cet âge est inférieur à 50 000 ans : la méthode est adaptée.
Âge par la vitesse de dépôt. Pour 2,5 cm par millénaire, un niveau situé à 3,2 m a environ millénaires, soit 128 000 ans.
Interpoler entre deux repères. Dans une carotte, 1,80 m a 6 000 ans et 3,00 m a 9 600 ans. Un niveau à 2,40 m est à mi-chemin : 6 000 + × 3 600 = 7 800 ans.
Réflexe — je choisis la méthode selon l’archive et l’âge attendu : couches comptées si elles sont visibles, carbone 14 pour du carbone biologique de moins de 50 000 ans, marqueurs pour relier deux archives ; puis je contrôle : plus profond = plus ancien.
Attention — au-delà d’environ 50 000 ans, il reste trop peu de ¹⁴C pour une mesure fiable. Une vitesse de dépôt n’est pas forcément constante : l’extrapoler loin des repères datés est risqué.
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Confronter les indices : dernier maximum glaciaire, Holocène et discordances
— Le dernier maximum glaciaire : presque toutes les calottes sont à leur extension maximale entre 26 500 et 19 000 ans environ (Clark et al., Science, 2009). Les indices concordent : δ¹⁸O des foraminifères maximal, δD de la glace antarctique minimal, CO₂ des bulles bas, pollens steppiques en Europe, mégafaune de climat froid, moraines frontales très avancées (vers 20 000 ans, la calotte nord-américaine dépose la moraine de Ronkonkoma, qui traverse Long Island, vers 41° N, d’après l’USGS), niveau marin de 120 à 135 m plus bas qu’aujourd’hui selon les reconstitutions (−134 m d’après Lambeck et al., PNAS, 2014).
— Le réchauffement de l’Holocène : l’Holocène commence il y a 11 700 ans (âge compté dans la glace groenlandaise, Walker et al., 2009). Les arbres thermophiles remplacent la steppe, les glaciers reculent derrière leurs moraines, le δ¹⁸O des foraminifères baisse et la mer remonte. Les paléoniveaux marins se lisent sur des plages fossiles, des grottes ornées noyées et des coraux, après correction des mouvements verticaux de la côte (soulèvement, enfoncement) : Acropora palmata vit à moins de 5 m sous la surface environ (GIEC, 2007), donc un récif de cette espèce aujourd’hui noyé date un niveau marin.
— Des indices pas toujours cohérents. Certains désaccords sont résolus : à partir des terrasses fluviatiles (anciens fonds de vallée, abandonnés en gradins quand la rivière s’enfonce) et des moraines, Penck et Brückner (1909) n’avaient reconnu que quatre glaciations alpines (Günz, Mindel, Riss, Würm), alors que les sédiments marins et la glace en montrent bien plus (huit cycles en 800 000 ans). Une terrasse se forme quand la rivière dépose beaucoup (période froide) puis s’enfonce (réchauffement), et ne reste en gradins que si la région se soulève ; une glaciation peut effacer les dépôts des précédentes : l’archive est incomplète. D’autres restent à résoudre : le petit âge glaciaire (environ XIVe-XIXe siècle) est net dans les moraines des glaciers alpins, mais son moment le plus froid tombe au XVe siècle dans le Pacifique central et oriental, au XVIIe dans le nord-ouest de l’Europe et au milieu du XIXe dans la plupart des autres régions (Neukom et al., Nature, 2019) : ses causes et son extension sont encore discutées.
Dater un niveau marin par un corail. Un récif d’Acropora palmata est trouvé à 85 m de profondeur. Vivant à moins de 5 m sous la surface, ce corail indique que la mer était alors entre 85 et 80 m sous son niveau actuel ; sa datation donne l’âge de ce niveau.
Construire une convergence. Tableau à quatre colonnes : indice, archive, ce qu’il indique, âge. Une conclusion est solide si des archives différentes (glace, sédiment marin, tourbière, paysage) donnent le même climat à la même date.
Réflexe — je classe les indices par archive et par date, je cherche ceux qui concordent, puis j’explique ceux qui divergent (archive incomplète, indice local, retard, datation imprécise).
Attention — deux indices qui varient ensemble ne disent pas lequel agit sur l’autre : corrélation n’est pas cause. Un indice local (une moraine des Alpes, une glace du Groenland) ne fait pas un climat mondial. Un indice discordant ne réfute pas forcément les autres : il peut venir d’une archive incomplète. Enfin, dans un escalier de terrasses, la plus haute est la plus ancienne, à l’inverse d’une pile de couches.
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Pour aller plus loin
Ces notions prolongent le chapitre, mais elles sont traitées dans d’autres chapitres.
- Les causes des glaciations du Quaternaire (paramètres orbitaux de Milankovitch, rétroactions de l’albédo et du CO₂, entrées et sorties de glaciation) : chapitre « Climats du Quaternaire : glaciations et paramètres orbitaux ».
- Les climats plus anciens : refroidissement du Cénozoïque lu dans le δ¹⁸O des foraminifères, Crétacé chaud, glaciation du Carbonifère-Permien reconstituée par la répartition des tillites et les paléolatitudes : chapitre « Climats anciens : Cénozoïque, Crétacé et glaciation permo-carbonifère ».
- Les réservoirs de carbone et le cycle long, qui relient CO₂ et climat à l’échelle géologique : chapitre « Carbone et climat : réservoirs géologiques et cycle long ».
- Le réchauffement actuel comparé aux climats passés : chapitre « Réchauffement climatique : conséquences et actions ».
- Indice paléoclimatique = grandeur mesurable conservée dans une archive ; on l’interprète par l’actualisme (processus actuels), en tenant compte de la paléolatitude et des espèces disparues ; moraines frontales = extension d’un glacier et étapes de son recul.
- δ¹⁸O = (Réch ÷ Rréf − 1) × 1 000, en ‰ ; glace : δ¹⁸O bas = froid (≈ 0,7 ‰ par °C au Groenland, δD ≈ 6 ‰ par °C en Antarctique) ; foraminifères : δ¹⁸O élevé = glaciaire (volume des glaces surtout, température de l’eau en partie) ; les deux courbes varient en miroir.
- Une carotte de glace donne au même niveau la température (δ¹⁸O, δD), la composition de l’air (bulles), l’aridité (poussières) et des repères volcaniques ; l’air est plus jeune que la glace (décalage de quelques siècles à quelques millénaires).
- Pollens : groupes écologiques, actualisme, pin surreprésenté, retard de la végétation ; foraminifères, coraux, coléoptères et mégafaune des peintures rupestres complètent les indices.
- Dater : couches annuelles (glace, varves), carbone 14 jusqu’à ≈ 50 000 ans, marqueurs (cendres, sulfates, inversions magnétiques), vitesse de sédimentation et interpolation.
- Convergence d’indices indépendants : dernier maximum glaciaire (≈ 26 500-19 000 ans, mer de 120 à 135 m plus bas), Holocène depuis 11 700 ans ; discordances résolues (terrasses : archive incomplète) ou à résoudre (petit âge glaciaire, non synchrone) ; corrélation ≠ cause, local ≠ global.
Questions fréquentes
Comment reconstitue-t-on les climats passés ?
On mesure des indices conservés dans des archives naturelles : composition isotopique de la glace et des tests de foraminifères, pollens des tourbières et des lacs, roches sédimentaires, moraines, air piégé dans les glaces polaires. Chaque indice est interprété grâce au principe d’actualisme, puis daté ; la reconstitution est fiable quand plusieurs indices indépendants concordent.
Pourquoi le δ¹⁸O de la glace diminue-t-il quand il fait froid ?
Les molécules d’eau qui contiennent l’isotope lourd ¹⁸O se condensent en premier : en route vers les pôles, la vapeur perd son ¹⁸O à chaque précipitation. Plus l’air est froid, plus cette condensation est poussée, et plus la neige est pauvre en ¹⁸O. Un δ¹⁸O bas dans la glace signale donc un climat froid, à raison d’environ 0,7 ‰ par °C au Groenland.
Pourquoi l’air des carottes de glace est-il plus jeune que la glace ?
La neige se tasse en névé, poreux, où l’air circule encore. Il n’est enfermé dans des bulles qu’à la base du névé, vers 50 à 120 m de profondeur, quand la glace a déjà des siècles (Groenland) à des milliers d’années (Antarctique central). Pour comparer la température et le CO₂, il faut associer des âges identiques, pas des profondeurs identiques.
Que montre un diagramme pollinique ?
Les pourcentages des pollens de chaque plante, niveau après niveau, dans un lac ou une tourbière. En regroupant les taxons (herbacées steppiques, arbres de climat froid, arbres thermophiles) et en appliquant l’actualisme, on reconstitue le paysage et le climat, en tenant compte du pin surreprésenté et du retard de la végétation sur le climat.
Comment date-t-on une carotte de glace ou de sédiment ?
On compte les couches annuelles quand elles sont visibles (glace, varves des lacs), on date la matière organique ou les carbonates biologiques au carbone 14 jusqu’à environ 50 000 ans, et on utilise des marqueurs communs à plusieurs archives, comme les cendres volcaniques ou les inversions du champ magnétique. Ces méthodes se contrôlent mutuellement.
Les indices des climats passés sont-ils toujours cohérents ?
Pas toujours. Certains désaccords sont résolus : les terrasses alpines ne montraient que quatre glaciations, car l’archive continentale est incomplète, alors que la glace et les sédiments marins en montrent bien davantage. D’autres restent à résoudre : le petit âge glaciaire n’a pas eu son moment le plus froid à la même époque dans toutes les régions, et ses causes sont discutées.
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