Extrait de la Lettre n°10 du Programme International Géosphère Biosphère-Programme Mondial de Recherches sur le Climat (PIGB-PMRC)

1 - Extension des formations carbonatées, d’après D. Ford et P. Williams (Karst Geomorphology and Hydrology).

2 - Section longitudinale d’une stalagmite prélevée dans une grotte des Monts de Bihor (Carpates roumaines), située à 1254 m d’altitude.
Contact : tudort@hera.ubbcluj.ro

L’étude des spéléothèmes (concrétions calcaires dans les grottes) occupe depuis ces dernières années une place unique dans l’étude des paléoclimats : la précision atteinte par les mesures U/Th (par spectrométrie de masse) permet d’établir une chronologie absolue dans les séquences climatiques reconstituées. Cet atout en fait un outil de choix en particulier en ce qui concerne l’étude de la relation climat- insolation.

L’étude de l’évolution du climat dans le passé est l’unique moyen de comprendre les mécanismes qui régissent à long terme les interactions entre ses diverses composantes : atmosphère, océans, glaces et continents. Elle est donc essentielle pour l’évaluation de l’impact anthropique et pour la modélisation et la prévision climatiques. En milieu continental, les hautes résolutions des enregistrements sont propices à des reconstitutions fines. La validité du cadre chronologique en est la clé majeure en raison de la discontinuité des enregistrements.

Les outils d’analyse
La chronologie par le déséquilibre U/Th
Au-delà du domaine chronologique couvert par le radiocarbone, le déséquilibre thorium-uranium (Th/U) autorise l’estimation d’âges depuis quelques dizaines d’années jusqu’à 500 000 ans. Le principe est simple : l’uranium est soluble dans les eaux naturelles, tandis que son descendant le thorium est insoluble ; un carbonate cristallisant par voie chimique (concrétion de grottes ou spéléothèmes) ou biologique (coraux, coquilles) présente à cet instant zéro un rapport Th/U égal à zéro dont la croissance au cours du temps constitue un chronomètre fiable si l’uranium (soluble) n’est pas ultérieurement soustrait ou ajouté au solide cristallisé. Depuis une dizaine d’années, ce déséquilibre peut être mesuré par spectrométrie de masse par ionisation thermique (SMIT ou TIMS en anglais), progrès considérable en terme de précision et de taille des échantillons. Quelques centaines de milligrammes de carbonates pauvres en uranium (teneurs inférieures au ppm) suffisent pour livrer un âge de 200 000 ans avec une erreur inférieure à 1% (<2% pour un âge de 400 000 ans) pour un intervalle de confiance de 95%.

¹³C et ¹⁸O
Les stalagmites cristallisent généralement en constituant des systèmes clos, non affectés par les phénomènes d’érosion aérienne ni par la bioturbation. Elles constituent des supports de datations valides et dont la résolution peut être élevée : 0,1 à 1 mm par an ne sont pas des vitesses de croissance exceptionnelles. Ces carbonates néoformés à partir des précipitations ayant percolé dans les carbonates et les sols sus-jacents enregistrent et conservent plusieurs paramètres climatiques, dont la quantité et la température des précipitations. Quelques publications récentes indiquent une piste de reconstitution fine des paléoclimats par les analyses isotopiques du carbone et de l’oxygène.

Distribution sur le globe
Les spéléothèmes sont présents sous toutes les latitudes et longitudes (figure 1), autorisent des reconstitutions permettant de passer de l’échelle locale (la concrétion) à celle de la région (le système karstique dans son environnement), puis à celle du globe.

Une stalagmite des monts de Bihor
Un exemple de cadre chronologique est présenté sur la figure 1 où l’on voit la section longitudinale d’une stalagmite prélevée dans une grotte des monts de Bihor (Carpates roumaines). Différents taux de croissance (figure 2) caractérisent les étapes successives entre 128 ka et 5,5 ka. L’arrêt de croissance entre 46 et 14 ka apparaît en relation avec l’aridité qui caractérise l’extension des conditions glaciaires en Europe. La reprise des dépôts il y a 14 ka est en phase, dans cette région de l’est de l’Europe, avec les indicateurs du réchauffement climatique brutal enregistré dans l’ouest. Les mesures ¹³C et ¹⁸O ont montré que les conditions d’équilibre ont été satisfaites lors de la cristallisation de plusieurs lamines. Les variations au long de l’axe de croissance sont en cours d’analyse (thèse de T. Tamas).

Trois grandes phases de fonctionnement?
Par leur contenu sédimentaire, les réseaux karstiques montrent de façon systématique un fonctionnement polyphasique : les conditions favorables à la genèse de conduits karstiques (dissolution et transport) sont différentes de celles qui président à la phase, secondaire, de concrétionnement au cours de laquelle l’écoulement se produit à une cote inférieure. Les jeux tectoniques et les facteurs climatiques déterminent des modifications du régime d’érosion. L’intensité de l’érosion est déterminée par des facteurs climatiques majeurs, tels la quantité des précipitations, leur saisonnalité, ou la densité du couvert végétal. Or un réseau de galeries karstiques se met en place très rapidement (quelques milliers d’années) répondant à des variations abruptes des conditions environnementales qui sont éventuellement des variations du climat. En particulier, plusieurs réseaux du continent européen (notamment ceux des Pyrénées centrales, du sud des Causses et des Cévennes, de Slovénie et des Carpates) montrent trois grandes phases de fonctionnement, se traduisant par trois niveaux distincts (géométriquement et chronologiquement) ou par trois ensembles sédimentaires (planchers stalagmitiques) signant vraisemblablement des variations majeures et abruptes du climat.

Perspectives
Les spéléothèmes ont pendant longtemps été étudiés de façon marginale par des chercheurs isolés disposant de moyens analytiques limités. De véritables équipes sont en train de naître autour de moyens plus importants et plus performants (Grande-Bretagne, Norvège, Belgique, Chine, Canada). En France, il existe un intéressant potentiel de chercheurs dispersés (LSCE Gif/Yvette, LHGI Orsay, Hydrosciences Montpellier, Programme PVC Bondy, laboratoires universitaires ou relevant des organismes nationaux de recherche scientifique : CNRS, CEA, IRD), mais très complémentaires et attachés à des sites bien connus. Un tel projet ne peut qu’être structurant et doit permettre leur rapprochement.

L’étude des spéléothèmes est partie intégrante de programmes internationaux : on notera que l’axe PEP III (Pôle-Equateur-Pôle Europe-Afrique) des programmes IGBP-PAGES comporte un volet spéléothèmes (SPEP).

Contact :
Christiane Causse
LSCE (CNRS-CEA)
Domaine du CNRS
91198 Gif-sur-Yvette Cedex
causse@lsce.cnrs-gif.fr