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

1 - Carte de l’Antarctique montrant les différents sites de forage profonds.



2 - Le site de Vostok, en Antarctique, où le forage de la calotte de glace a atteint 3623 m de profondeur, permettant la reconstitution climatique sur 400 000 ans.

3 - Les forages successifs au site de Vostok depuis 1980. Le schéma indique les déviations successives qui ont du être réalisées suite au blocage du carottier.



4 - Stockage des carottes de glace sur le site de Vostok.

5 - Ravitaillement de la station de Vostok par convoi de tracteurs pesant jusqu’à 100 tonnes reliant la côte (Mirny) à Vostok sur une distance de 1400 km, par des températures entre -40°C et - 60°C.

L’enregistrement climatique sur les dernier 400 000 ans présent dans la carotte de Vostok est actuellement unique, entre autre par la mémoire de l’atmosphère qu’il retrace. Il est le résultat de près de quatre décennies d’efforts intenses et continus et de coopérations internationales.

Les calottes glaciaire, archives du passé
Les calottes polaires du Groenland et de l’Antarctique constituent la majeure partie de la cryosphère et représentent plus de 90 % du volume d’eau douce de la planète. Les cristaux de neige qui s’accumulent, évoluent au sein du glacier, se transforment progressivement en glace, ce qui peut prendre plus de 2000 ans. La glace est un matériau granulaire aux propriétés mécaniques complexes de fluide visqueux anisotrope. Les calottes glaciaires pèsent sur leur socle qu’elles enfoncent, elles s’écoulent lentement et se renouvellent. Les calottes sont les points froids de la Terre et interagissent avec le climat global. Elles peuvent devenir instables, vêler de grandes quantités d’icebergs, perturbant la circulation océanique et le climat, ou disparaître en moins de 10 000 ans comme ce fut le cas en ce qui concerne les calottes nord-américaines et eurasiennes à la fin de la dernière période glaciaire. L’analyse des couches de neige nous informe des conditions de formations des précipitations. L’étude des gaz emprisonnés dans les bulles donne la composition de l’atmosphère ancienne. La géochimie des poussières minérales permet de remonter aux régions désertiques qui les a émises ou aux volcans qui ont explosé. Les calottes glaciaires sont donc de formidables conservatoires d’archives. Les carottages dans la glace révèlent des enregistrements continus de l’environnement passé au cours des derniers cycles climatiques, enregistrements dont représentativité géographique n’est pas limitée à l’aspect local ou régional.

Les grands forages dans la glace représentent des prouesses techniques et toujours des expéditions lourdes et coûteuses. Le forage de Vostok en Antarctique (figure 1) a eu une histoire particulière tant pour la motivation initiale du projet que les “ premières scientifiques mondiales ” qu’il a permis de faire. Il a été le détonateur aux réalisations des forages au Groenland qui ont apporté leur lot de découvertes, initiant à leur tour d’autres projets qui viennent de se mettre en place.

L’aventure Vostok
Les Soviétiques installés depuis l’année géophysique internationale en 1957, avaient établi à la station de Vostok, (figure 2) leurs ateliers de développement et d’essais de carottier pour la glace. Au début des années 70, les Américains venaient de réaliser le forage de Byrd (qui atteint 2138 m de profondeur); en ce temps de guerre froide la compétition faisait rage non seulement pour la course à la Lune. “Faire mieux” fut alors la justification d’un projet ambitieux de forage profond. L’institut des Mines de Leningrad, soutenu par les Expéditions Antarctiques Soviétiques, envoya chaque année un groupe de 3 à 5 mécaniciens, électriciens, et autres apprentis foreurs en hivernage de 15 mois. de 1970 a 1999. Les premiers essais ne furent pas tous couronnés de succès. Un forage de 500 m en 1970, un autre de 900 m en 1975 étaient destinés aux tests des divers systèmes de carottage, ainsi qu’aux mesures géophysiques (température, déformation du trou). Les préoccupations glaciologiques (texture de la glace et isotopes stables) n’étaient alors que des préoccupations accessoires. Après 10 années d’effort, les techniques s’affinant progressivement et les hommes devenant de plus en plus expérimentés, le forage numéro 3 atteignit 2082 m de profondeur en 1982. A la réunion du SCAR , les Soviétiques firent part à la communauté internationale de leur performance technique. Claude Lorius proposa une pré-analyse des échantillons qui seraient étudiés conjointement par le Laboratoire de Glaciologie de Grenoble et Le LSCE de Saclay.

Dès la première série d’échantillons arrivés en France en 1983, le profil isotopique révéla sans ambiguïté une histoire continue du climat sur plus de 140 000 ans alors qu’à l’époque le forage de Dôme C détaillait seulement 30 000 ans et les forages américains de Byrd et Camp Century, quand bien même la glace basale était aussi vieille que celle de Vostok, ne montraient qu’une histoire, très déformée par l’écoulement de la glace au delà de 50 000 ans. On reconnaissait dans la carotte de Vostok la fin de la dernière glaciation vers -15 000 ans, son maximum vers -25 000 ans, semblable à celle de Dôme C, mais, en plus, était enregistré le précédent interglaciaire vers -120 000 ans et la glaciation antérieure vers -140 000 ans.

Un cycle climatique complet non perturbé par les problèmes d’écoulement était offert. Le cadeau était royal! Les carottes de glace empilées sur les étagères de Vostok permettaient d’étudier toute cette période de façon continue. Il n’y avait qu’à aller les échantillonner sur place. Les techniques d’analyse du LGGE étant au point, la récolte d’information scientifique fut particulièrement fructueuse : histoire de la composition de l’atmosphère en gaz carbonique et en méthane, évolution de la chimie de l’atmosphère ainsi que de la circulation atmosphérique, à l’aide de traceurs telles les poussières.

Ce fut le début d’un certain nombre de découvertes scientifiques, puisqu’entre temps avaient été mises au point les techniques pour mesurer la composition des bulles d’air en particulier celle du gaz carbonique, ainsi que les techniques d’analyses chimiques par chromatographie liquide ou celle de ¹⁰Be par accélérateur. Ce fut aussi le départ d’une collaboration internationale Franco-Soviétique efficace à laquelle se sont joints les Etats Unis depuis 1989. Cette collaboration tripartite, fructueuse au plan scientifique et riche humainement, continue encore aujourd’hui avec la Russie qui a hérité des stations Antarctiques de l’ex-URSS. Le forage de Vostok depuis a été poursuivi: après plusieurs épisodes successifs de forages (figure 3), il a atteint 3350 m en 1994, et 3623 m en janvier 1998. La carotte (figure 4) couvre 4 cycles climatiques et les analyses des échantillons se poursuivent. Les opérations de forages sont pour l’instant arrêtées à cette profondeur car nous savons maintenant avec certitude que 120 m plus bas, le carottier débouchera dans un immense lac (3 fois le Léman) dont l’épaisseur est de 600 m. Il paraissait important d’en préserver l’intégrité pour en permettre son étude dans le futur.

Techniques
Les techniques de carottages dans la glace permettent de réaliser des coupes continues du glacier par incréments. Les carottiers modernes (tel le carottier russe électromécanique utilisé récemment à Vostok), sont des ensembles tubulaires d’une dizaine de mètres de longueur comprenant une tête de forage, un tube carottier avec sa motorisation ainsi que les instruments de contrôle. L’ensemble est attaché au bout d’un câble électroporteur de 3 ou 4 km enroulé sur un treuil puissant. La tête de forage est une couronne munie d’outils qui découpe par rotation un cylindre de glace de 10 cm de diamètre. La carotte pénètre dans le tube carottier proprement dit où des extracteurs la maintiennent. Les copeaux produits sont envoyés par pompage ou par vis d’Archimède dans un compartiment séparé. Une carotte de 3 m est forée. A chaque passe, tous les 3 m, les dix mètres du système carottier sont treuillés à la surface, vidés de la carotte et des copeaux puis renvoyés au fond. Le trou de forage (diamètre 14 cm environ) est rempli d’un fluide à base de kérosène, qui sert à contrebalancer la pression de la glace et évite au trou de se refermer. Il ne faut pas moins de 60 tonnes de fluide pour remplir un trou de 3000 m de profondeur, ce qui représente de loin la plus grosse charge à transporter sur le terrain. Les carottes de glace sont étudiées sur place pour leurs propriétés physiques (cristaux, bulles, propriétés électriques,...) et échantillonnées pour les différentes mesures en laboratoire. Puis, suivant une chaîne de froid, les carottes sont acheminées jusqu’aux laboratoires où elles seront conservées en chambre froides à -23°C.

Les paramètres mesurés
Les isotopes de la glace, D et O
Le fractionnement isotopique des précipitations est lié à leur température de formation. Ainsi l’information contenue dans ceux-ci permet de remonter à l’estimation de la température moyenne annuelle régionale. Cependant des mesures de paléotempérature au Groenland (forage de Summit) qui remonte à 100 000 ans d’histoire climatique suggèrent que l’écart glaciaire interglaciaire estimé à partir du thermomètre l’isotopique (-10°C) est largement sous estimé (-20°C à partir à partir des reconstitutions de température). L’origine de cet écart pourrait être expliqué par la paléocirculation simulée à l’aide de la modélisation (voir article "Modélisation zoom du climat des calottes de glace, le zoom"). Ce modèle suggère qu’en Antarctique au site de Vostok la paléotempérature reconstituée à partir des isotopes de la glace n'est pas soumise à un tel biais et qu’une baisse de 10°C est réaliste.

Autres paramètres
La concentration de poussières dans la glace augmente fortement durant les époques glaciaires. Ceci est attribué à une augmentation des surfaces continentales émergées (sources) ainsi qu’à une circulation atmosphérique plus intense (transport). De plus, les couches de poussières d’origine volcanique permettent de remonter aux éruptions et d’identifier celles ci à l’aide de la composition chimique caractéristiques des différents volcans. Les composés chimiques de l’atmosphère permettent de préciser l’évolution des différents cycles biogéochimiques entre glaciaire et interglaciaire en particulier celui du souffre et celui des aérosols marins. Les composés gazeux de l’atmosphère extraits des bulles d’air emprisonnées dans la glace (voir "Notre atmosphère depuis 400 000 ans ") permettent de retracer l’évolution de l’atmosphère. La concentration atmosphérique de CO₂, principal gaz à effet de serre après la vapeur d’eau, est maintenant reconstituée sur 400 000 ans. Cette reconstitution est possible dans les carottes antarctiques et non dans celles du Groenland : en effet dans ces dernières la concentration en CO₂ dans les bulles d’air de la glace est perturbée par suite de la proximité des autres continents : la teneur de la glace durant les époques glaciaires (poussière, composé chimique) interagit avec le CO₂ et modifie sa concentration. D’autres éléments sont également mesurés, tel que le ¹⁰Be, dont la production, dans la haute atmosphère, est modulée par l’activité solaire.

Les principaux résultats de Vostok
On ne peut pas parler de la carotte de Vostok sans évoquer des premières scientifiques qui sont toujours d’actualité. Vostok a donné le premier enregistrement couvrant 150 000 ans. Il faut préciser que le glaciologue ne dispose pas de méthodes de datation absolue. Cependant, profitant du caractère continu de l’accumulation des couches de neige, pour les longues séquences, la datation est obtenue par le développement de modèles d’évolution des couches de glace au sein du glacier. Ces modèles qui prennent en compte l’accumulation de la neige, l’enfouissement et l’amincissement des couches, le mouvement du glacier, permettent d’établir une datation avec une précision de l’ordre de 10 pour cent.

Au cours des 400 000 dernières années, la température, déduite des teneurs en isotopes stables (voir figure 2 dans "Notre atmosphère depuis 400 000 ans"), montre une allure très similaire aux variations du volume des glaces tirées de l’étude des sédiments marins. Aux moments des périodes très froides en Antarctique (-65°C au lieu de -55°C actuellement à Vostok), il y avait plus de glace sur les continents (principalement en Europe et en Amérique du Nord). La représentativité du signal température de Vostok n’est donc pas restreinte au climat local mais à une aire géographique étendue sans doute à l’échelle de l’océan austral. Autre observation, le signal climatique de Vostok contient des périodes de 20 000 et 40 000 ans caractéristiques des variations de l’orbite terrestre. Ceci accrédite la théorie de Milankovitch associant les modifications des climats aux changements de la course de la Terre autour du soleil.

Les analyses des bulles d’air (voir article “La richesse du stade glaciaire 6... ” ) ont mis en évidence la relation étroite entre les concentrations en gaz carbonique et en méthane et la température. Les climats interglaciaires sont caractérisés par des teneurs en CO₂ de 280 ppmv (partie par million en volume) alors qu’en période glaciaire, l’atmosphère n’en contenaient que 180 ppmv. Le méthane, issu des fermentations en zones inondées (marais, rizières), lui oscille entre 650 et 350 ppbv (partie par milliard) entre les périodes chaudes et froides respectivement. On cherche encore les causes de ces variations, mais une analyse statistique suggère que ces gaz ont servi d’amplificateur aux faibles variations de l’énergie solaire, entraînant les grandes variations de la température.

Les projets en cours et à venir
Le potentiel de la glace des calottes polaires en tant que conservatoire d’archives du climat est considérable et la communauté scientifique en est bien consciente. Aujourd’hui, les séries climatiques longues extraites par grands forages se compte seulement sur les doigts d’une main. Celle remontant à 400 000 ans est pour l’instant unique. Les difficultés d’accès aux régions centrales des calottes polaires, celles pour trouver un site idéal (lié au relief, à l’écoulement de la calotte...), les problèmes techniques posés pour disposer d’un matériel fiable pour forer les 3 ou 4 km de glace, pour transporter régulièrement les 100 tonnes de matériel nécessaires (figure 5), expliquent en grande partie le caractère unique de cette réussite.

Les quelques séries glaciaires disponibles aujourd’hui sont bien insuffisantes pour permettre la documentation de la variabilité spatiale et temporelle des phénomènes climatiques, ou les corrélations avec les autres séries continentales et marines, permettant d’en discerner les interactions et les mécanismes de leur évolution.Des projets sont en cours. Au Groenland, les Danois et quelques Européens ont entrepris un nouveau forage (projet North GRIP) visant à confirmer les résultats de GRIP et GISP et à documenter si possible la période chaude de l’Eémien (le dernier interglaciaire). En Antarctique, les Européens sont retournés au Dôme C, 20 ans après l’exploit des Français. Le projet EPICA a débuté en 1997-98, pour un forage de 3200 m, qui devrait couvrir un demi million d’années. Les carottes étudiées avec des techniques modernes de plus en plus nombreuses et performantes permettront la comparaison avec Vostok, produiront en principe des enregistrements de “ proxy ” du climat (isotopes stables, aérosol, gaz à effet de serre,...) avec une meilleure résolution. Les Japonais forent au Dôme Fuji, à 3000 km de là, et les 2500 m de glace sont principalement destinés aux études des propriétés physiques et du matériau glace naturelle. A la question de savoir si l’Antarctique de l’Ouest est stable ou non , les Américains ont conduit à Siple Dôme un forage profond. Le socle rocheux de cette calotte est situé sous le niveau de la mer et est à une température proche de 0°C, ce qui pourrait rendre les glaciers émissaires très nerveux et sensibles aux variations du niveau de la mer.

Pour Vostok, le forage dans la glace est terminé. Cette opération a été un succès : sa carotte a initié les grands projets internationaux. Au site même, tout n’est cependant pas terminé car la découverte du lac sous glaciaire attire bien des curiosités. Les biologistes qui étudient les conditions l’apparition de la vie sur terre, et sur les planètes gelées comme Mars ou Europa, voient dans le lac de Vostok, un analogue à leurs recherches. Est ce que la vie a pu se développer dans le lac de Vostok? Une question qui aura sans doute une réponse dans les dix années à venir quand les techniques propres de prélèvements le permettront.

Contact :
Jean-Robert Petit
Lab. de Glaciologie et géophysique de l’Environnement
Université J. Fourier de Grenoble
petit@lgge.obs.ujf-grenoble.fr