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 :
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)
