7/ Sédimentologie
Manuel p.299
TP observation de microfossiles au microscope
Le carottage consiste à récupérer un volume (souvent un cylindre) de sédiment en place, c'est-à-dire enconservant l’intégrité et la position des différentes couches qui le composent. Le principe est simple : on fait entrer un tube creux dans le sédiment puis on le remonte. Les carottes sont coupées en deux dans la longueur : une moitié est utilisée pour analyse,
l’autre est conservée pour archive.
Il existe ainsi plusieurs carothèques dans le monde, dont une au CNRS à Gif sur Yvette.
Les carottes sont étiquetées, emballées dans un film plastique et protégées dans un tube en plastique.
Les carottes sont coupées en deux dans la longueur : une moitié est utilisée pour analyse, l’autre est conservée pour archive.
Il existe ainsi plusieurs carothèques dans le monde, dont une au CNRS à Gif sur Yvette.
Les carottes sont étiquetées, emballées dans un film plastique et protégées dans un tube en plastique.
Sur le navire sont réalisées différentes observations et mesures :
Description de la carotte
Analyse spectrale
Photographie
Analyse des propriétés physiques
Echantillonnage
Observation de la fraction supérieure à 150µm, après lavage et tamisage (observation des microfossiles)
Plus tard à terre, d’autres études pourront être réalisées à partir des carothèques.
Différentes équipes vont sur le même échantillon obtenir des données diverses et complémentaires qui vont permettre de reconstituer les conditions du dépôt : les assemblages de fossiles, les concentrations en diverses isotopes, la nature des sédiments…
On pourra retrouver la température de l’eau, le sens du courant…
Les boues sont des sédiments fins (grain ≤ 64µm).
En domaine océanique, on distingue :
— les boues calcaires, à Globigérine,
— les boues siliceuses, à Radiolaires, à Diatomées
— les boues rouges des grands fonds, essentiellement formées d’argiles.
Les sédiments océaniques profonds sont un mélange d’apports éoliens (poussières continentales, notamment désertiques, transportées par le vent qui se déposent dans l’océan), de particules transportées par les courants (sédimentation hémipélagique) et de particules d’origine biologique produites près de la surface et qui sédimentent à la mort des êtres vivants (sédimentation pélagique).
La sédimentation peut être carbonatée :
Ptéropodes
Coccolithophoridés
Foraminifères
La sédimentation peut aussi être siliceuse :
Radiolaires
Diatomées
La sédimentation pélagique a pour origine la zone photique de l’océan, c’est-à-dire la zone sous la surface dans laquelle la lumière est présente. Elle est estimée à quelque chose de l’ordre de 100 à 200 tests/ m2/jour.
La craie est formée de Coccolithophoridés à 90 % , végétaux unicellulaires très petits (2 à 10 µm) aux squelettes calcaires.
Les coccolithophoridés, présents sur Terre depuis plus de 200 Millions d’années, sont des algues unicellulaires exclusivement marines. Ces microalgues font partie du nanoplancton, c'est-à-dire que leur taille est comprise entre 5 et 50 microns. Elles se caractérisent par leur squelette externe en carbonate de calcium. Cette sorte de « coquille » appelée la coccosphère est composée de plus petits éléments sphériques : coccolithes.
Coccolithophoridés, algues unicellulaires de petite taille (0,01mm) entourés d’une enveloppe sphérique (Coccosphère) formée d’un assemblage de plaques calcaires généralement en forme de disques (Coccolithes).
On distingue selon le nombre de loges
— Les Foraminifères uniloculaires,
— Les Foraminifères biloculaires,
— Les Foraminifères pluriloculaires (parmi lesquels les Fusulinidés, les Miliolidés et les Nummulitidés). Les Globigérinidés sont un groupe de Foraminifères dont la taille est de l’ordre de 0,5 à 1mm. Ils sont particulièrement abondants au voisinage de l’Equateur.
Le test est facilement conservé dans les sédiments et leur abondance ainsi que leur sensibilité aux conditions environnementales en font d’excellents marqueurs stratigraphiques et climatiques.
Le terme de microfossile s’applique à des fossiles ne pouvant s’étudier qu’à la loupe ou au microscope.
Les foraminifères sont présents dans les océans depuis au moins 550 millions d’années, et nombreux à l’état de fossile dans les sédiments marins. L’analyse de leurs coquilles et des matières qui les entourent permet d’en apprendre beaucoup sur les conditions du milieu.
Reconstituer un climat avec les Foraminifères
— Abondance dans le sédiment et diversité : le contenu des sédiments dépend de leur latitude d’origine :
Aux latitudes tropicales, le sédiment est très riche en micro fossiles, et la fraction détritique est négligeable ou absente. On observe de nombreux Globigérinidés, de tailles et de formes diverses. La biodiversité est importante.
Aux latitudes polaires, le sédiment présente une fraction détritique supérieure ou égale à 50%. Les fossiles sont rares et de taille réduite. La biodiversité est limitée.
On pourra donc en première approximation utiliser comme règle pour reconstituer le climat que plus les eaux sont chaudes, plus les microfossiles sont abondants, grands et divers et la fraction détritique réduite.
La réduction de la part du détritique par rapport au biogénique s’explique par deux phénomènes :
- d’une part les êtres vivants sont de plus en plus abondants lorsqu’on va vers les zones chaudes. Il y a donc une sorte de dilution du détritique par le biogénique. C’est une diminution relative.
- la fraction détritique correspond à ce qui est abandonné par les glaces, donc plus on s’éloigne des zones polaires, moins il y en a de façon absolue.
On peut dans certains cas distinguer au niveau macroscopique dans une carotte les périodes chaudes et les périodes froides : plus il y a de biogénique, donc de carbonate, plus le sédiment est clair, et plus il y a de détritique, plus il est foncé.
— Le sens d’enroulement des coquilles des Foraminifères s’observe sur la face ventrale, c’est-à-dire du côté où se trouve l’ouverture et se lit du proloculum (la première loge) vers l’ouverture.
Par exemple : enroulement dextre (sens inverse des aiguilles d’une montre).
Le sens d’enroulement peut être différent en fonction de facteurs environnementaux tels que la température. Ainsi Neogloboquadrina pachyderma est un foraminifère dont l’enroulement du test (coquille) est :
à enroulement dextre (vers la droite) lorsque l’eau de surface est chaude.
à enroulement senestre (vers la gauche) lorsque l’eau de surface est froide.
La détermination du sens d’enroulement permet donc dans une certaine mesure de reconstituer des variations climatiques.
— Les préférences écologiques des différentes espèces de Foraminifères
La répartition des Foraminifères est liée à la température de l’eau, et constitue donc un indicateur de la température :
Par exemple : les globigérines se répartissent dans les eaux chaudes. Les radiolaires par contre se répartissent dans les eaux froides, donc aux latitudes plus élevées.
De manière plus fine dans l’Atlantique nord actuellement, on peut répartir les Foraminifères en cinq grandes provinces et associer à chaque province une ou plusieurs espèces de Foraminifère :
Groupe Espèces
Arctique Neogloboquadrina pachyderma (senestre)
Subarctique N. pachyderma (dextre), Globigerina bulloides, G quinqueloba
Subtropical Globigerinoides ruber
La température de surface variant avec la saison, la répartition en latitude des Foraminifère va aussi varier saisonnièrement. Il ne faudra donc pas s’étonner de voir dans un même sédiment des espèces de climat différent, l’une ayant pu se déposer l’été, l’autre l’hiver.
8/ Glaciologie
Comprendre et utiliser le concept de thermomètre isotopique (δ18O dans les glaces arctiques et antarctiques, δ18O dans les carbonates des sédiments océaniques) pour reconstituer indirectement des variations de températures.
Exploiter les équations chimiques associées aux transformations d’origines géologiques pour modéliser les modifications de la concentration en CO2 atmosphérique.
Manuel p.294
Manuel p.298
logiciel oxygene : http://tice.svt.free.fr/spip.php?article2281
logiciel Vostok : https://nuage01.apps.education.fr/index.php/s/wi3SBx8WJACaiDA
https://svt.ac-versailles.fr/IMG/pdf/scientifique_composition_isotopique_glace.pdf
Selon la température, l’eau qui s’évapore contient des proportions différentes de molécules d’eau H216O (eau légère) et H218O (eau lourde).
Une température élevée permet à plus d’eau lourde de s’évaporer, la condensation favorise la précipitation de l’eau lourde.
On peut calculer le rapport 18O/16O des échantillons d’eau récoltés et les normaliser par rapport à un standard : (18O/16O)SMOW. On obtient le δ18O qui permet de déterminer la température de l’atmosphère à laquelle cet échantillon s’est formé (formation d’une couche de glace).
L’eau légère H216O s’évapore plus facilement que l’eau lourde H218O qui à l’inverse condense plus facilement.
L’évaporation (qui a lieu surtout au dessus des océans) favorise le passage des molécules les plus légères (H216O) de l’océan vers l’atmosphère. Au contraire, la condensation (qui a lieu dans les régions froides) privilégie la précipitation des molécules les plus lourdes (H218O).
— Le δ18O des carbonates des sédiments océaniques
Le test des Foraminifères est carbonaté (CaCO3) et fabriqué à partir des ions HCO3- et Ca2+ prélevés dans l’eau de mer. Le δ18O des ions HCO3- est en équilibre avec celui de l’eau de mer. Le δ18O des tests carbonatés varie donc avec celui de l’eau de mer.
L’ 18O se partage dans le stock d’eau entre l’eau de mer et la glace. De par le comportement des deux isotopes, on voit que l’ 18O reste préférentiellement dans l’eau de mer. Plus il y a de glaces, moins il y a d’eau de mer et plus celle-ci est concentrée en 18O.
Le δ18O des sédiments permet d’estimer le volume de glaces : plus il est élevé, plus il y a de glace.
Quand les mesures concernent des organismes planctoniques [πλαγκτός / plagktós, errant, instable], elles donnent accès aux changements du volume des glaces et de températures ayant affectés les couches superficielles des océans.
Elles peuvent aussi traduire des événements plus localisés, comme des arrivées d’eaux douces (fontes) ou des anomalies liées à une exceptionnelle pluviosité, ou inversement, évaporation.
Selon la température, l’eau qui s’évapore contient des proportions différentes de molécules d’eau H216O (eau légère) et H218O (eau lourde).
Une température élevée permet à plus d’eau lourde de s’évaporer, la condensation favorise la précipitation de l’eau lourde.
On peut calculer le rapport 18O/16O des échantillons d’eau récoltés et les normaliser par rapport à un standard : (18O/16O)SMOW. On obtient le δ18O qui permet de déterminer la température de l’atmosphère à laquelle cet échantillon s’est formé (formation d’une couche de glace).
L’eau légère H216O s’évapore plus facilement que l’eau lourde H218O qui à l’inverse condense plus facilement.
L’évaporation (qui a lieu surtout au dessus des océans) favorise le passage des molécules les plus légères (H216O) de l’océan vers l’atmosphère. Au contraire, la condensation (qui a lieu dans les régions froides) privilégie la précipitation des molécules les plus lourdes (H218O).
En plus du δ18O, un autre rapport isotopique peut être utilisé comme thermomètre. Il s’agit du rapport deutérium/hydrogène (2H/1H). On utilise le δD par rapport à un standard de référence proche de celui de l’océan actuel. Les glaciologues ont obtenu la courbe suivante en étudiant le δD au niveau des glaces du pôle Sud.
Thermomètre isotopique, rapports isotopiques (δ18O)
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