Plus l’époque est ancienne, moins il y a d’indices, et par conséquent plus il est difficile d’étudier son climat.
Par exemple, aucune glace ni aucun pollen n’est vieux de plus d’un million d’années. Ainsi, on doit utiliser d’autres indices, de moins bonne résolution mais capables de perdurer pendant des millions d’années, voire des dizaines ou des centaines de millions d’années.
Certaines roches sédimentaires se forment uniquement en présence d’un certain climat. On suppose que les conditions de formation d’une roche sont restées les mêmes au cours des temps géologiques : les constatations actuelles sur les relations entre roches sédimentaires et climat sont donc valables aussi à des époques anciennes. Il s’agit du principe de l’actualisme.
Parmi les roches indicatrices de climats, on trouve par exemple :
-Des latérites ou des bauxites. Ces roches sont issues d’une très forte altération chimique. Une telle altération n’est possible qu’en cas de fortes températures et d’importantes précipitations. Ainsi, ces roches ne peuvent se former qu’en climat tropical.
-Des charbons. Le charbon est un combustible fossile d’origine continentale issu de la transformation de matières organiques. Pour que la matière organique se transforme en charbon, il faut d’abord qu’elle soit conservée, et pour cela la présence d’une forte productivité primaire est nécessaire. Ainsi, le charbon témoigne de conditions équatoriales ou tropicales propices à la formation d’une forêt luxuriante.
-Les évaporites (sel, gypse, potasse…). Il s’agit de roches formées par précipitation d’ions. Leur formation n’est possible qu’en cas d’évaporation de grandes quantités d’eau. Ces roches témoignent donc de climats chauds et secs.
-Les tillites. Il s’agit de dépôts fluvio-glaciaires caractéristiques d’un climat très froid (présence de glaciers à proximité).
a-Milieu de vie des espèces fossiles.
Certains fossiles peuvent également nous renseigner sur les climats passés. On utilise encore une fois le principe d’actualisme en considérant que des animaux fossiles proches d’animaux actuels devaient vivre à peu près dans les mêmes conditions que ceux-ci.
Par exemple, les coraux sont des animaux qui vivent actuellement dans des mers tropicales, on suppose donc qu’un fossile de corail sera le marqueur de ce type de climat.
Fossile de coraux
b-Etude des indices stomatiques.
Les Ginkgos sont des arbres qui semblent avoir peu changé depuis le Permien. Actuellement, on peut vérifier qu’il y a une corrélation inverse entre le nombre de stomates sur les feuilles de Ginkgo et le taux de CO2 atmosphérique. D’après le principe d’actualisme, on suppose donc que le nombre de stomates sur les feuilles fossilisées de Ginkgo nous permet d’avoir accès au taux de CO2 de l’époque. Or, on sait qu’un taux important de CO2 est en général corrélé avec un climat chaud, et inversement.
Relation entre l’indice stomatique et le CO2 atmosphérique (Ginkgo)
Certains microfossiles comme les foraminifères produisent des tests calcaires qui s’accumuleront dans les sédiments à la mort de l’organisme. Le rapport isotopique (18O/16O) de ces tests est proportionnel au rapport isotopique de l’eau de mer au moment de leur formation.
Étudier les rapports isotopiques des roches sédimentaires anciennes nous permet donc d’avoir accès au rapport isotopique de l’eau de mer de l’époque. Or celui-ci est corrélé à la température (cf. II-A-4).
La présence de tillites à relativement basses latitudes datant de la fin du Carbonifère montre la présence à cette période d’un climat froid (à peu près similaire à celui du Quaternaire). Le climat s’est refroidi au début du Carbonifère et s’est réchauffé à la fin du Permien.
Charbons et tillites au Carbonifère
Au Crétacé, les analyses des indices stomatiques permettent de savoir que le CO2 atmosphérique était beaucoup plus concentré qu’aujourd’hui. De plus, les géologues ont trouvé beaucoup de roches typiques de climats chauds (bauxites, latérites, charbons, évaporites), même à latitudes élevées. Et enfin, les paléontologues ont montré la présence d’espèces fossiles typiques de climat tropical à latitudes élevées (crocodiliens, coraux…).
Ces indices concordants démontrent la présence d’une période chaude durant le Crétacé.
Bauxites, évaporites et charbons au Crétacé
Les analyses isotopiques réalisées dans les sédiments océaniques ont démontré la présence d’un important refroidissement pendant tout le Cénozoïque. On passe donc d’une période chaude (Crétacé) à une période froide (époque actuelle).
Le climat global de la Terre est contrôlé par son effet de serre : Certains gaz atmosphériques (les gaz à effet de serre) absorbent les rayonnements infrarouges émis par la Terre et les réémettent en direction de la surface. En piégeant une partie de l’énergie émise par la surface terrestre, les gaz à effet de serre contribuent à réchauffer le climat.
Les gaz à effet de serre principaux sont la vapeur d’eau (H2O), le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4) et le protoxyde d’azote (N2O).
Le mécanisme de l’effet de serre
Le CO2 contient un atome de carbone : afin de comprendre ses variations dans l’atmosphère, on doit donc connaitre le cycle du carbone, c’est-à-dire les différents flux de carbone qui ont lieu entre les grands réservoirs terrestres.
Sur Terre, le carbone est réparti dans la géosphère, la biosphère, l’hydrosphère et l’atmosphère.
Avant l’ère industrielle, les principaux flux entre ces réservoirs étaient liés à des processus biologiques (la respiration et la photosynthèse) et à des processus de dissolution / dégazage entre l’atmosphère et l’hydrosphère.
Il existe aussi des flux plus lents, qui sont insignifiants à l’échelle humaine, mais qui ont un rôle important à jouer sur le long terme : la précipitation des carbonates et la fossilisation de la matière organique permet de piéger du carbone atmosphérique dans la géosphère, tandis que le volcanisme libère du CO2 atmosphérique.
Certains événements naturels peuvent modifier le cycle du carbone, ce qui peut influer sur la quantité de CO2 présent dans l’atmosphère :
-Augmentation de l’altération des roches continentales.
En cas de surrection de chaines de montagnes majeures, l’altération des silicates au niveau mondial augmente. Cette altération, couplée à la précipitation de carbonates, sera responsable du piégeage du CO2 atmosphérique dans la géosphère.
Équations liées à l'altération des silicates
Au Carbonifère, la mise en place de la chaine Hercynienne et l’altération continentale qui a suivi a contribué à diminuer le CO2 atmosphérique donc à refroidir le climat.
Au Cénozoïque, l’altération intense causée par la mise en place de l’Himalaya est la principale responsable du refroidissement constaté.
-Volcanisme.
Le volcanisme émet du CO2, donc contribue à transférer du carbone de la géosphère vers l’atmosphère (cf. schéma du cycle du carbone). Plus le volcanisme mondial est intense, plus le CO2 émis sera important.
Au Crétacé, la fracturation de la Pangée est associée à un épisode de forte activité des dorsales océaniques. De plus, il y a à cette époque formation de nombreuses Provinces Volcaniques Géantes (points chauds émettant de grandes quantités de magma). Ce volcanisme intense est ainsi responsable d’une augmentation du CO2 atmosphérique, donc d’un réchauffement climatique global.
-Piégeage du carbone atmosphérique sous forme de matière organique.
Le CO2 peut être piégé dans la biosphère sous forme de matière organique. En général, la matière créée sera à terme décomposée, ce qui restituera le CO2 à l’atmosphère. Mais parfois, une faible proportion de matière organique échappe à la décomposition et se fossilise de manière pérenne dans les roches, sous forme d’hydrocarbures (charbons, pétrole, gaz naturel). Parfois, pour des raisons diverses, la fossilisation du carbone est favorisée, ce qui peut entrainer une baisse du CO2 atmosphérique.
Au Carbonifère, c’est le piégeage accru du carbone atmosphérique dans les charbons qui est la principale cause du refroidissement constaté. La formation de ces grandes quantités de charbons est due à l’apparition pour la première fois de végétaux ligneux (= des arbres) dont la décomposition était plus difficile. On suppose que les décomposeurs de l’époque avaient des difficultés pour décomposer la lignine, qui est une molécule particulièrement résistante. De plus, la présence de nombreuses terres émergées présentes sur les zones intertropicales et le faible niveau marin ont dû favoriser cette fossilisation de la matière organique.
La forêt houillère au Carbonifère
La disposition des masses continentales, elle-même dépendante des mouvements tectoniques, peut influer sur la nature des courants océaniques, qui elle-même peut avoir une incidence sur le climat.
-En réchauffant les eaux océaniques, un courant faisant le tour du globe dans la région intertropicale favorise un climat global chaud (figure 1).
-Au contraire, la présence d’un courant froid autour d’un continent situé sur un pôle (courant circumpolaire), en isolant ce dernier des apports d’eaux chaudes, y favorise l’installation d’une calotte glaciaire propice au refroidissement global, notamment par augmentation de l’albédo (figure 2).
-L’existence de courants indépendants de direction globalement nord-sud (courants méridiens) favorise la mise en place des calotte glaciaires (en augmentant l’humidité au niveau des pôles), ce qui est favorable à l’installation d’un refroidissement global par augmentation de l’albédo (figure 3).
Au Crétacé, la fracturation de la Pangée a entrainé la mise en place de passages entre les continents, ce qui a permis la formation de courants faisant le tour du globe dans la zone intertropicale. Ceci a dû contribuer à la mise en place d’un climat chaud.
Au Cénozoïque, la convergence entre les masses continentales provoque un changement dans ces courants océaniques, qui deviennent principalement orientés N/S. De plus, le continent Antarctique s’isole sur le pôle sud, autour duquel se met en place un courant circumpolaire. Ces événements ont dû contribuer au refroidissement constaté.
