Extrait du document édité par le CNRS/INSU : "Paléoclimatologie, paléoenvironnement" (Colloque de Garchy, 17-18 décembre 1998).
80 pages, mai 2000

1 - Effet climatique de la distribution continentale mis en évidence par deux simulations climatiques à l'Actuel (haut) et au Permien supérieur il y a 255 Ma (bas) (Fluteau 1999). Cette représentation du climat utilise une classification dite de Walter basée sur des critères de degré-jour de croissance (eq. température) et les précipitations. Le climat est donc calculé à partir des paramètres mensuels de température et de précipitation simulés par le modèle.

2 - Actions de la tectonique de surrection sur le cycle du carbone.

3 - Cycle de rŽtroaction du climat sur la tectonique. En localisant les prŽcipitations par effet orographique, la surrection peut s'entretenir par effet de rebond isostatique liŽ ˆ l'Žrosion.

Introduction
Connaître l’évolution du climat à l’échelle géologique reste un défi majeur des sciences de la Terre. Grâce aux mesures isotopiques, l’histoire du dernier million d’années est relativement bien documentée; parallèlement la théorie de Milankovitch a donné un cadre conceptuel qui a pu être testé à l’aide d’une hiérarchie de modèles numériques du climat. On peut donc considérer que le climat du Quaternaire a été rythmé par des cycles glaciaires-interglaciaires initiés par les changements d’insolation liés aux variations lentes des paramètres orbitaux.

Dès que l’on veut étendre notre connaissance des mécanismes qui régissent les changements climatiques à des échelles de temps plus longues, supérieures au million d’années, il faut intégrer une composante essentielle de la redistribution de l’énergie par l’océan et l’atmosphère sur la planète : la dérive des continents et ses effets sur le niveau des océans, l’altitude des continents, les courants océaniques et le taux de gaz carbonique. Ainsi, des changements climatiques massifs sont bien corrélés pour certaines périodes géologiques avec ces phénomènes tectoniques. La compréhension quantitative par modélisation permet d’éclairer les relations entre climat et tectonique par un choix judicieux des questions scientifiques et par une approche pluridisciplinaire. Cette approche reste performante même si l’on se heurte à une moins bonne connaissance des circulations océaniques ou du taux de gaz carbonique dans l’atmosphère que pour les derniers cycles glaciaires-interglaciaires. Un autre aspect à mieux comprendre et à modéliser est la relation tectonique-climat via le cycle du carbone. Ces relations ont été développées par Chamberlin (1899) dans un schéma de causalité: activité tectonique engendre érosion puis altération, consommation de CO₂ et refroidissement global (Fig. 2). Cette relation a été testée sur l'érosion himalayenne au Néogène par des mesures de terrain et par la modélisation des cycles géochimiques. Enfin les rétroactions du climat sur la tectonique à travers l'effet de l'érosion (Fig. 3) sont un aspect important qui permettra de comprendre la distribution géographique du relief et ses effets climatiques.

Le forçage tectonique
Une condition nécessaire avant d’entreprendre l’étude des climats à l’échelle géologique est de disposer de reconstructions globales ou régionales de la paléogéographie au cours des temps. Ce sont ces reconstructions qui seront prescrites au modèle de circulation générale atmosphérique pour calculer le climat correspondant à différentes périodes géologiques. Jusqu’à très récemment, toutes les recherches dans ce domaine aux USA (Crowley, Kutzbach, Ruddiman, Barron, Otto-Bleisner) et en Angleterre (Valdes Selwood) se basaient sur des compilations de Scotese et Ziegler. Ces reconstructions présentent le désavantage d’être des solutions moyennes entre diverses possibilités, qui “ lissent ” souvent les vrais problèmes scientifiques. En France, une large communauté scientifique dans toutes les disciplines des sciences de la Terre (Tectonique, Paléontologie, Stratigraphie, Paléomagnétisme, modélisation des processus d’érosion etc..) nous permet de proposer des reconstructions d’excellente qualité. Citons par exemple le programme Téthys, ou les travaux basés sur le paléomagnétisme. Actuellement, les données conjointes de la géologie et du paléomagnétisme permettent de reconstruire l’évolution temporelle de la paléogéographie terrestre depuis 600 Ma. Une animation depuis 250 Ma réalisée par J. Besse a partiellement illustré ces travaux à Garchy. De plus les stratigraphes et paléontologues de la communauté française disposent des données permettant de vérifier les sorties obtenues par les modèles climatiques. Cette phase de validation est une étape essentielle de la démarche de modélisation. Toutes ces informations permettent de modéliser le climat sur la base de reconstructions paléogéographiques précises et de qualité internationale intégrant à la fois la distribution continent/océan, l’orographie et l’étendue des mers épicontinentales.

La simulation numérique du climat
Depuis une dizaine d’années, grâce aux travaux pionniers de Sylvie Joussaume, la modélisation des climats du passé se développe en France. Cela a constitué un des axes fondateurs de la création du LMCE (Laboratoire de Modélisation du Climat et de l’Environnement au CEA en 1992, puis du Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement UMR CEA CNRS (1998)). Au sein du LSCE, l’équipe de modélisation du climat a maintenant une expertise importante dans le domaine de l’étude des changements climatiques des derniers cycles glaciaires-interglaciaires en particulier grâce au programme international Paleoclimate Modeling Intercomparison Project (PMIP). Depuis 1994 une collaboration avec l’IPG, dans le cadre d’une thèse commune, a permis d’étendre le champ d’investigation à des périodes géologiques anciennes. L’outil de modélisation est le modèle de circulation générale de l’atmosphère du Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD) couplé ou non à une couche de mélange océanique. Les approches développées sont de 2 types :

• une approche réaliste où l’on cherche par une prescription des conditions aux limites aussi précises que possible à restituer le climat d’une période géologique donnée afin de pouvoir comparer les résultats de la simulation à différents types d'indicateurs des paléo-environnements (sédimentologique, géologique, pollinique, paléontologique...).
• une approche de sensibilité où l’on teste l’impact de différentes conditions paléogéographiques prises séparément, le but étant de tester des mécanismes. Par exemple, des simulations de la mousson asiatique avec ou sans plateau du Tibet ont permis de mettre en évidence le rôle déterminant de la distribution de la mer épicontinentale Paratéthys sur l'intensité de la mousson asiatique (Thèse F. Fluteau).

Le fait que l’équipe de modélisation soit également impliquée dans l’élaboration des couplages atmosphère-océan et atmosphère-biosphère garantit un suivi de l’évolution des outils de modélisation. Cette modélisation nécessite l’utilisation des moyens de calcul centralisés du CEA et du CNRS (IDRIS), et s’appuyait sur des projets reconnus par les programmes DYTEC, DBT puis DTT avant leur disparition respectives.

Validation
Une partie importante de l’effort de recherche est évidemment le processus de validation des simulations numériques. La comparaison entre d’une part les températures (cycle saisonnier, température annuelle) et les changements du cycle hydrologique (précipitation, érosion) simulés par les modèles et d’autre part les diverses sources permettant de reconstruire les climats passés (paléontologie, botanique sédimentologie...) est ici fondamentale. L’apport de différents indicateurs permet d’obtenir une vision pertinente de la cohérence entre résultats des simulations et mesures sur le terrain.

Une approche de validation à diverses échelles de temps a été entreprise sur l'exemple du système Himalaya-Tibet regroupant un ensemble d'approches multidisciplinaires pour comprendre les relations à long terme entre tectonique, climat, érosion et cycle du carbone (IPGP, LDG, CRPG). Ces travaux ont été menés essentiellement dans le cadre des programmes DBT Fleuves et Erosion puis PROSE. Ils passent par l'analyse de l'enregistrement sédimentaire syntectonique qui permet de déduire les variations climatiques (mousson), l'évolution topographique et les variations du régime d'érosion et d'altération qui conditionnent la consommation de CO₂ atmosphérique. Tous ces processus sont interdépendants ce qui rend les interprétations délicates voire paradoxales. Une étude parallèle des processus de contrôle de l'érosion actuelle est donc la base de toute interprétation dans ce domaine. Les grandes lignes de l'évolution topographique ont pu être déduites à partir de bilan d'accumulation dans les bassins syntectoniques tels que le cône du Bengale ou l'ensemble des bassins océaniques et continentaux péri-tibétains. Les principales variations du régime d'érosion observées restent délicates à relier aux variations climatiques ou environnementales connues ou modélisées. Par contre l'action de l'érosion himalayenne sur le cycle du carbone est mieux comprise. Elle apparaît modeste par l'altération des silicates et importante par l'enfouissement de carbone organique dans le réservoir sédimentaire.

Une approche plus globale des mécanismes d'érosion est menée par la lecture et l'interprétation des variations des compositions isotopiques (C, Sr, Os ...) de l'océan. Ces variations océaniques enregistrées dans les sédiments sont partiellement des fonctions des processus d'érosion continentale et permettent dans certains cas de tracer des phases majeures d'activité continentale (surrection, érosion, altération…) . Ainsi l'augmentation remarquable des compositions isotopiques de Sr océanique depuis 40 Ma est-elle attribuée à une augmentation de l'activité orogénique et a été utilisée pour démontrer l'hypothèse de Chamberlin sur le refroidissement global au Néogène. L'examen des systèmes sédimentaires et des rivières péri-himalayennes actuelles a démontré que l'érosion de l'Himalaya explique à elle seule l'augmentation isotopique de Sr des océans sans effet déterminant sur le cycle du carbone par altération des silicates (thèse A. Galy).

Erosion et climat
Nous avons, jusqu'à présent essentiellement, discuté l’impact tectonique sur le climat, mais il ne faut pas oublier que le climat à son tour, en particulier par les processus d’érosion, va agir sur la paléogéographie. Dans cette rétroaction bien illustrée par Molnar (Paradoxe de la poule et de l’œuf) il y a également un important travail de recherche en France pour mieux connaître et quantifier l’évolution des chaînes de montagnes en particulier au travers des processus d’érosion et de transport.

L'étude des systèmes d'érosion actuels ou récents sous diverses conditions climatiques et l'étude des séries sédimentaires continentales associées ont permis de progresser dans la compréhension des mécanismes élémentaires de relation entre climat, tectonique et érosion et de leurs rétroactions. Dans ce cadre, des outils ont été développés en France à travers l'étude des grands bassins versants de rivière pour reconstituer les flux d'érosion. Ces approches sont à la fois géochimiques et géomorphologiques. Les mesures des isotopes cosmogéniques, en particulier ¹⁰Be in situ, constituent des outils précieux pour retracer l'histoire des changements d'érosion au cours du temps.

Les changements climatiques à l’échelle géologique non directement forcés par la tectonique
Il importe de noter également qu'un certain nombre de travaux et de projets financés auparavant par DTT concerne des changements climatiques sur des échelles de temps dépassant le dernier cycle glaciaire interglaciaire, mais n'ayant pas un rapport direct avec la tectonique. C'est le cas par exemple des travaux de Foucault présentées à Garchy, mais également des projets de documentation et de modélisation de l'effet Dole autour du stade isotopique 6 (projets Masson-Mélières), ou du projet sur l'évaluation des quantités de SO₂ et CO₂ résultant d'un impact de météorite et leur implication climatique (projet Agrinier).

Contacts :
G. Ramstein
LSCE - Gif-sur-Yvette
Ch. France-Lanord
Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques -Nancy
J. Besse
Géomagnétisme, paléomagnétisme, géodynamique - IPGP
J.-Ph. Avouac
LDG/CEA Bruyères le Chatel - ENS Paris