Étude des interactions Géochimie-Climat dans le contexte extrême des glaciations type ‘Snowball Earth’

Laboratoires et personnes impliqués :

•G. Ramstein & Y. Donnadieu, Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE-CEA)

•Y. Godderis, A. Nedelec & B. Dupré, Laboratoire de Modélisation des Transferts en Géologie (LMTG)

•J. Meert, Department of Geological Sciences, University of Florida

Travail présenté par Gilles Ramstein, issu de la thèse de Yannick Donnadieu

Deux phases de glaciations caractérisées par des dépôts glaciaires formés à des latitudes tropicales et à

basses altitudes

1

2

Autour de 750 Ma, Sturtienne

Autour de 600 Ma,Varangienne

GE Williams (1975), forte obliquité (>60°) = pôles + chaud que l’équateur

J. Kirschvink (1992), P. Hoffman (1998), théorie de la Snowball Earth = Terre totalement englacée (rôle des gaz à effets de serre, pas de variation d’obliquité)

Cap Carbonates à texture inhabituelle

13C des carbonates marins = -5 %o

Dépôts de fer rubanés

À glaciations extrêmes, causes extrêmes ?

1 - Forçage orbital

2 - Forçage géochimique

Études pratiquement inexistantes

Inconsistant avec la répartition des dépôts

glaciaires

Mise en place de surface basaltique

Fragmentation du supercontinent

‘Rodinia’

Mécanismes à tester

Dégazage du manteau

CarbonatesC

réduit

Océan-AtmosphèreSubduction

altération

Manteau

Cycle du carbone

Recyclage

dépôts

CaSiO3 + 2H2CO3 Ca2+ + 2HCO3- + SiO2 +H2O

Dissolution des silicates continentaux:

Précipitations des carbonatesCa2+ + 2 HCO3

- CaCO3 + H2CO3

Bilan altération des silicates:

CaSiO3 + 2H2CO3CaCO3 + H2CO3

Walker, Hays et Kasting, 1981

A retenir: A des échelles temporelles de variations > 200 ka, variations de la teneur en carbone atmosphérique

dépend uniquement de la source: le volcanisme et du puit: l’érosion des

silicates : Fmorb + Fvol = Fsw

Oliva, Viers et Dupré, 2002

2981

)15.273(140600exp,

iiigra

graiw TR

arearunoffkF

Dessert et al., 2002

iibasi

basiw TrunoffareaF 0642.0exp4.3234,

Volcanisme

CO2 atmosphérique Effet de Serre

Température

PrécipitationsRuissellement

Altération des silicates

Rétroaction négative altération silicate-climat

Fsw = Abas kbas f(CO2) = 8 Abas kgra f(CO2)

Fsw = (Acont-Abas) kgra f(CO2)

Fsw = Acont kgra f(CO2)

Fvol = Acont kgra f(CO2)

Fvol = 8 A bas kgra f(CO2) + (Acont-Abas) kgra f(CO2)Fvol = (Acont+7 Abas) kgra f(CO2)

Fvol = Acont kgra f(CO2)

Effet de la mise en place d’une province basaltique

Test sur la taille des traps

requise en fonction du

niveau de CO2 pré-

perturbation et de la bande

latitudinale sur laquelle elle se

trouve

Solution la plus plausible: 0-10°N et 150 à 360 ppm = 0.9 à 7 M de km2 (étendue des

traps).

Traps de Sibérie : 5 M de km2

Traps du CAMP (Central Atlantique Magmatic Province) = 7 M de km2

Module géochimiqueAltération zonale, …

EBM

T dans 18 bandes

CO2

Connection climat-CO2 dans les modèles géochimiques: Utilisation du modèle Géochimie-Climat COMBINE pour tester

L’impact du trap Laurentien

1 - Mise en place d’une surface

basaltique de 6.2 M de km2 à 780 Ma

avec un CO2 de 280 ppm

2 - Dérive vers le Sud à raison de 2 cm/a puis 8 cm/a

après 750 Ma (ouverture du Proto-

Pacifique)

3 - 145 ppm consommés

(1.8x pCO2 Modern-LGM)

4 – 50 Ma après les traps > SBE

Hypothèse des traps : un mécanisme nécessaire mais non suffisent …

Les conditions requises :

1 Écoulement des basaltes proche de

l’équateur

2 Un climat pré-perturbation froid (Tglob= 0.8°C)

Point fort de l’hypothèse :

Peut expliquer une réduction du dC13 de

l’eau de mer de 3.3 %o

Mécanismes de refroidissement global à long terme:

1 – Apparition de traps successives

2 – Position à basses et moyennes des continents

3 - Fragmentation du supercontinent Rodinia

Exemple d’approche à l’équilibre:Modèle 0D GEOCARB (Berner,94)

Version 0: Fvol = Fsw

Fvol = k Runoff PCO20.3 exp[(T-288.15)/17.7)]

T = 288.15 + 6.5 ln(PCO2) Runoff = [1 + 0.038 (T-288.15)]

Fvol = k [1+0.038 (6.5 ln (PCO2))] PCO20.3 exp[6.5 ln (PCO2)/17.7]

K= area x fe x …

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0.00E+001.00E+022.00E+023.00E+024.00E+025.00E+026.00E+02

gymnospermesAngiospermesfe

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

0100200300400500600

area

Royer et al, 2001

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

0100200300400500600

Age (Ma)

Indice de dégazage

Résultats

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

020406080100120140160180200

Com

plex

itéBLAG, GEOCARB (Berner, Lasaga, Garrels, 1983

Berner, 1991,1994 Berner, Kothavala, 2001)

T=T0 + ln (PCO2) – Ws (T/570)

GCCM (François and Walker, 1992

COMBINE 1 François et al, 1993 Goddéris and François, 1995 Goddéris and Joachimski, 2002)

Couplage géochimie-climat (EBM-1D)T dans 18 bandes de latitudeRunoff reste une relation paramétriqueMAIS fonction de T et aire par bande de latitudeModification de la paléogéographie en moyenne zonale

Connection climat-CO2 dans les modèles géochimiques

Variabilité globale

Variabilité zonale

Apport d’une nouvelle dimension dans les modèles couplés climat-géochimie

Contraintes sur le choix du modèle

de climatClimber-2.3 couplé au

modèle COMBINE

Autres CAL : Fvol imposé, Cste Solaire –6%,

lithologie constante imposée

800 Ma

750 Ma

Application au Néoprotérozoique

:

Les premiers résultats … 1 – A 800 Ma

Le modèle s’équilibre à un pCO2 d’environ

1800 ppm

Soit une température globale moyenne de

10.2 °C

Une position tropicale des continents ne

semble pas être une condition suffisante à

la formation de calotte de glaces

continentale mais le climat est quand

même relativement froid

Les premiers résultats … 1 – A 750 Ma

Le modèle s’équilibre à un pCO2 d’environ

500 ppmRéduction de 1300

ppm

Soit une température globale moyenne de

2°CRéduction de 8.2°C

Une configuration ou les continents sont plus petits et plus dispersés apparaît très favorable au

déclenchement d’une glaciation importante

Les premiers résultats …En rouge (noir), Runoff et T pour l’expérience à 750 (800) Ma et pour une pCO2 de 1800 ppm

Fvol800 Ma=Fsw800Ma (1800ppm)

Fsw800 Ma-1800 << Fsw750Ma-1800

comme T et R + grd

- de CO2 = R et T diminuent afin d’atteindre Fsw800 Ma (1800ppm) = Fsw750Ma (500ppm)

Sensibilité au flux de dégazage

Conclusions / Discussions

Qu’en est-il des autres fragmentations de supercontinent ? Relation Constante

Solaire / Forçage tectonique

Paléoprotérozoique / SBE … Gondwana / pPCO2 diminue / Runoff augmente (Simulations GCM de Gibbs et al.)