La fossilisation des cycles astronomiques : un outil de datation des roches sédimentaires



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Les mécanismes de préservation de l'excentricité terrestre et des cycles de Milanković (à long terme) sont conservés dans les roches sédimentaires

Cyclostratigraphie et astrochronologie : comment marier les deux ?

Mathieu Martinez est paléoclimatologue à Géosciences Rennes et s’intéresse plus particulièrement à l’impact du forçage astronomique sur l’évolution des climats, du cycle du carbone et des bassins sédimentaires. La compréhension des mécanismes par lesquels est enregistré le forçage astronomique lui permet ensuite de dater les séries sédimentaires avec une résolution de l’ordre de la dizaine de milliers d’années. Dans sa publication intitulée « Mechanisms of Preservation of the Eccentricity and Longer-term Milankovitch Cycles in Detrital Supply and Carbonate Production in Hemipelagic Marl-Limestone Alternations », chapitre 4 de l’ouvrage « Cyclostratigraphy and Astrochronology » (ed. Michael Montenari, 2018), Mathieu Martinez propose des mécanismes de transfert des cycles d'insolation dans les cycles sédimentaires, autrement dit, la façon dont les cycles astronomiques sont archivés dans les l’histoire géologique des sédiments.



Les cycles de Milanković sont des cycles d'insolation liés aux mouvements périodiques de l'orbite terrestre et de son axe de rotation. Ils sont à l'origine de changements cycliques du climat et de la sédimentation. Ces variations se font à l’échelle géologique, de plusieurs dizaines à centaines de milliers d’années : les mouvements de l'orbite terrestre peuvent alors être enregistrés, comme "fossilisés", dans les roches sédimentaires.


Quelques rappels théoriques

Les interactions gravitationnelles entre la Terre et les autres planètes du système solaire génèrent des modifications régulières de l’orbite de la Terre et de l’orientation de son axe de rotation. Ces variations cycliques sont directement corrélées avec l'insolation de la Terre. Les paramètres de Milanković sont le nom donné aux paramètres astronomiques terrestres qui ont un effet sur l’insolation, et donc sur les changements climatiques, et donc sur les conditions de sédimentation. On parle aussi de cycles de Milanković.

Ces paramètres sont l'excentricité, l'obliquité et la précession.

L'excentricité de l'orbite terrestre (périodes : environ 100.000 ans, 405.000 ans et 2,4 millions d'années)

L'orbite de la Terre est une ellipse dont le Soleil occupe l'un des foyers. L'excentricité de l'ellipse est une mesure de la différence entre cette ellipse et le cercle. La principale composante de cette variation fluctue sur une période de 405 000 ans. Cette excentricité est le résultat des attractions gravitationnelles exercées entre le soleil, la Terre et les autres planètes de notre système solaire.
L'excentricité est l'un des facteurs les plus importants dans les changements climatiques naturels de la planète puisque la Terre au périhélie (i.e. au plus proche du soleil, vers le 4 janvier, à une distance de 0,983 UA) peut recevoir du Soleil jusqu'à 26 % d'énergie de plus qu'à l'aphélie (i.e. au plus éloigné du soleil, vers le 4 juillet, à une distance de 1,017 UA).

(NB : 1 UA = environ 150 millions de km = distance moyenne Terre-Soleil)



Terrestre
Source : http://rupestre.on-rev.com/page2/page97/page100/page100.html




L'obliquité terrestre (période : environ 40.000 ans)

L'obliquité de la Terre (ou inclinaison terrestre) correspond à l'angle entre son axe de rotation et un axe perpendiculaire au plan de son orbite. L'obliquité terrestre varie entre 22,1° et 24,5° environ tous les 40 000 ans. Quand l'obliquité augmente, chaque hémisphère reçoit plus de radiation du soleil en été et moins en hiver. Cette obliquité est le résultat des interactions gravitationnelles entre la Terre et les planètes du système solaire et au sein du couple Terre-Lune.
L'obliquité a une influence sur les saisons : si la Terre est dans une période de forte inclinaison par rapport au Soleil, alors les saisons seront très marquées, avec des différences importantes entre été et hiver ; à l'inverse, une faible inclinaison atténue les variations saisonnières, avec peu de différences entre l'été et l'hiver.


Fig2 Obliquite Plan Ecliptique
Source : https://fr.wikipedia.org/wiki/Inclinaison_de_l'axe



La précession terrestre (période : environ 20.000 ans)

La Terre ne tourne pas sur elle-même comme une sphère parfaite mais plutôt comme une toupie car elle est soumise à la précession. Cette précession provient du fait que les attractions du soleil et de la lune ne sont pas uniformes sur Terre à cause du bourrelet équatorial de la Terre (et à l’aplatissement des pôles). Parmi les conséquences, une année selon le calendrier n'équivaut pas à une année astronomique : les 365,25 jours ne correspondent pas à un tour (parfait) de la Terre autour du Soleil (d’où les années bisextiles tous les 4 ans pour rattraper le quart de jour en « surplus » annuel). Cet effet est donc indirect, mais pour les géologues qui comptent en milliers d’années… il est déterminant !
Même si ces paramètres n'ont aucune influence sur la quantité totale d'énergie solaire reçue annuellement par la Terre, les trois facteurs combinés ont des conséquences importantes sur tout ce qui détermine un climat dans une région et à une période considérée : la variation d'énergie solaire reçue au cours de l'année (surtout sous les hautes latitudes), les différences de température entre les continents et les océans du fait de l'albédo, mais également les variations sur les changements de saison (plus élevées aux hautes latitudes), et enfin les différences de température entre les hémisphères dues à l'inclinaison.



Terrestre
Source : http://www.ux1.eiu.edu/~cfjps/1400/temp.html




Quels sont les liens entre les cycles d'insolation et la géologie ? Les cycles sédimentaires !

Dans sa publication intitulée « Mechanisms of Preservation of the Eccentricity and Longer-term Milankovitch Cycles in Detrital Supply and Carbonate Production in Hemipelagic Marl-Limestone Alternations », chapitre 4 de l’ouvrage « Cyclostratigraphy and Astrochronology » (ed. Michael Montenari, 2018), Mathieu Martinez propose des mécanismes de transfert des cycles d'insolation dans les cycles sédimentaires, autrement dit, la façon dont les cycles astronomiques sont archivés dans les l’histoire géologique des sédiments.

En effet, d’un point de vue géologique, si on pose comme postulat que les sédiments se déposent et s’accumulent de façon régulière, homogène, alors il est possible de mettre en relation la succession des couches sédimentaires avec celle des périodes astronomiques, et donc de retrouver dans l'enregistrement sédimentaire la marque des variations de l’orbite terrestre. Une fois les périodicités identifiées, le comptage de ces cycles dans une série sédimentaire permet de calculer la durée des périodes géologiques.

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Exemples de cycles sédimentaires liés à l'enregistrement des cycles de Milanković (Martinez, 2018)
A) expression des cycles d'excentricité de 100 000 ans délimitables par des bancs calcaires plus prononcés. Coupe de Río Argos, SE de l'Espagne
B) regroupement des alternances marnes-calcaires liées à la précession (20 000 ans) par faisceau de 20 alternances. Chaque faisceau de 20 alternances correspond à une période d'excentricité de 405 000 ans (≈ 20 x 20.000 ans)



Les cycles d'insolation passent par toute une série de filtres naturels (circulation atmosphérique, océanique, pédogénèse, production carbonatée, bioturbation, diagenèse...) susceptibles de distordre l'enregistrement sédimentaire du signal orbital. La datation des séries sédimentaires par les cycles de Milanković nécessite de comprendre les étapes par lesquelles les cycles d'insolation sont finalement préservés dans la sédimentation.

A l'aide d'une approche intégrant plusieurs indicateurs climatiques, Mathieu Martinez montre notamment comment les cycles d'excentricité peuvent s'enregistrer dans la sédimentation alors que dans les modèles astronomiques, leur puissance est contenue dans celle de la précession. La comparaison des signaux des cortèges argileux (indicateurs des niveaux d'érosion des continents) avec les signaux d'alternances marnes-calcaires suggèrent que les phénomènes de pédogénèse (processus de formation, la transformation ou la différenciation des sols) et d'érosion ont un effet de mémoire de plusieurs centaines de milliers d'années susceptibles de transférer la puissance contenue dans les cycles de précession vers les cycles d'excentricité.

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Simulation des effets de la mémoire des phénomènes de pédogénèse et d'érosion sur la distortion des signaux astronomiques (Martinez, 2018)




Référence
Mathieu Martinez. Chapter Four - Mechanisms of Preservation of the Eccentricity and Longer-term Milanković Cycles in Detrital Supply and Carbonate Production in Hemipelagic Marl-Limestone Alternations. Michael Montenari (Ed.). Cyclostratigraphy and Astrochronology, 3, Elsevier, pp.189-218, Stratigraphy & Timescales. Doi : 10.1016/bs.sats.2018.08.002


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Mathieu Martinez (Géosciences Rennes) / mathieu.martinez-univ-rennes1.fr
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