Mise en évidence des variations climatiques anciennes

bauxite	Sols riches en oxydes de fer Colorado provençal Rustrel, Lubéron, France

Dans le milieu marin, ce sont les coraux qui sont  d'un tel climat. En effet, ils ne se développent que dans des eaux pures, très oxygénées, peu profondes et chaudes.

Sous un climat chaud et aride, le taux d'évaporation est très élevé et on trouve des traces de sédimentation particulière : les évaporites. Ces roches sont des associations complexes de chlorure, de sulfates et de carbonates qui sont précipitées à partir d'eaux soumises à une évaporation intense. Les dépôts de gypse (CaSO₄), de sel gemme et de potasse ont une telle origine et sont le témoignage de ce type de climat.

La présence de charbon est, quant à elle, significative d'une végétation luxuriante et de conditions climatiques de type équatorial. 

Mine de charbon - Australie

La présence de glaciers est décelable au niveau du paysage : ils ont poli les roches, sculpté les vallées. Ce sont des agents d'érosion très puissants. Ils ont transporté et déposé de grandes quantités de matériaux qui forment les moraines.

Les blocs peuvent être transportés sur de grandes distances et former des dépôts glaciaires qui, en se consolidant, forment des tillites.

Ont également existé des périodes périglaciaires avec des alternances de périodes de gel et de dégel et des vents violents.

En périodes très froides, le sol gèle très profondément et ne dégèle à la belle saison que dans sa partie superficielle ; les zones profondes restent gelées. Cette partie gelée en permanence (le pergélisol) est soumise à de nombreuses contraintes dues aux alternances gel-dégel. Elle se déforme, ce qui se traduit en surface par l'apparition de motifs caractéristiques.

Au voisinage des régions couvertes de glace, on trouve très souvent des plaines désertiques balayées par des vents pouvant être très violents. Des parties provenant de l'altération des pergélisols peuvent être facilement arrachées et emportées à grande distance. Ces dépôts éoliens peuvent ainsi se retrouver sur de grandes distances, entassés sur plusieurs mètres de hauteur.

En conclusion, les paléontologues disposent donc de différentes roches indicatrices de conditions climatiques particulières. En partant du principe que leur mode de formation n'a pas changé au fil des années, ils peuvent obtenir des indications sur les climats passés.

Le gingko biloba est une espèce d’arbre très ancienne qui a peu varié depuis l’ère primaire (200 Ma). Comme les autres plantes, le ginkgo possède à la surface de ses feuilles des stomates, qui sont des ouvertures de l’épiderme permettant les échanges gazeux (O₂, CO₂ et H₂O) entre les cellules de la feuille et l’atmosphère.

Stomate de Gingko biloba

On fait pousser des ginkgos en laboratoire, sous atmosphère contrôlée en CO₂, et on mesure leur indice stomatique.

La détermination de l'indice stomatique peut se faire sur des feuilles fossiles et permet de retrouver les teneurs en CO₂ atmosphérique de différentes époques.

Au Crétacé, l’indice stomatique était de 6,5 soit un taux de CO₂ environ deux fois supérieur au taux actuel.

La répartition des roches sédimentaires, qui traduisent leurs conditions de formation, est également un indice du climat de cette époque.

On observe que la répartition des roches se formant en climats aride et tropical est mondiale. Les évaporites, tillites et bauxites datant de cette époque sont réparties uniformément sur toute la planète, y compris à altitudes élevées. Pendant cette période, la Terre est dépourvue de glace. L’Alaska et le Groenland sont peuplés de palmiers et d'arbres à pain ; les coraux se développent à des latitudes hautes.

Ces indices attestent d’une hausse mondiale des températures au Crétacé, donc d’un climat tropical à aride à la fin de l’ère du Mésozoïque.

Les scientifiques disposent de différentes données pour tenter d'expliquer ces variations climatiques.

• Les continents n'ont pas toujours occupé leur position actuelle. Ainsi, leur taux d'ensoleillement et leur climat ont évolué.
• Au Crétacé, l’activité du manteau est à l’origine d’une géodynamique interne intense. L'expansion océanique atlantique aurait été deux fois supérieure au taux actuel.

Carte de l'âge des sédiments du plancher océanique atlantique

La longueur de la lithosphère océanique produite durant le Crétacé aurait été d’environ 1400 km, contre 1000 km pour une période géologique de durée équivalente plus récente.

L’activité volcanique de la dorsale atlantique qui en découle, entrainant une plus grande libération de dioxyde de carbone (gaz à effet de serre), et les variations du niveau de la mer, semblent principalement responsables des variations climatiques.

Les tillites sont associées à des roches polies, dont les stries et rainures sont les témoins de l'érosion et permettent d'établir le sens d'écoulement de la glace, et l'étendue de la calotte glaciaire celle de l’époque de leur formation.

Des traces de tillites datées du Carbonifère (−300 millions d'années) ont été repérées en Afrique de l'Ouest, en Australie, en Inde et au Brésil. Ces roches montrent qu'à l’époque, une calotte glaciaire imposante recouvrait ce qui deviendra l’Amérique du Sud, l'Inde et l'Australie. 

Cela atteste d’une importante glaciation au Carbonifère-Permien.

À la fin du Paléozoïque, les continents étaient regroupés en un supercontinent, la Pangée, située vers des latitudes sud, et un super océan, la Panthalassa.

La situation géographique de la Pangée explique qu’une calotte polaire en recouvrait la partie sud : l’ensoleillement est moins concentré aux basses latitudes.

Mais toutes les modifications climatiques ne peuvent s'expliquer par la disposition des continents. Ainsi, des changements climatiques ont pu affecter l'ensemble de la planète.

Le carbone transite entre divers réservoirs, notamment l’atmosphère, les océans et la biosphère.
On peut retrouver l’évolution de la teneur en CO₂ dans l’atmosphère. Le CO₂ étant un gaz à effet de serre, l’évolution de sa teneur dans l’atmosphère est corrélée à l’évolution de la température globale.

L’observation de l’évolution du RCO₂ (et donc du taux de CO₂) atmosphérique depuis 600 000 ans montre une baisse progressive de la teneur en CO₂ de l’atmosphère, entre −550 Ma et −300 Ma (entre le Carbonifère et le Permien).

Cette baisse s’explique par la présence à l’époque de grandes forêts luxuriantes.

En effet, la végétation luxuriante du carbonifère consomme énormément de dioxyde de carbone et la formation de charbon piège ce carbone qui ne retourne pas dans l'atmosphère.

Ce phénomène s’accompagne d’un refroidissement : le taux de CO₂ atmosphérique chute, l’effet de serre diminue alors et la température baisse.

On peut ainsi relier au Carbonifère l'abondance de la végétation, la baisse de température globale et la présence d'une imposante calotte glaciaire.