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Couplages Géodynamique - Processus de Surface – Climat - Cycles bio-géochimiques

Quelle est l’influence des reliefs continentaux et des couplages érosion/altération sur la consommation de CO2 aux échelles de temps géologiques?

Nous caractérisation les couplages entre les reliefs des masses continentales, les circulations océaniques et les cycles biogéochimiques. Nous intégrons aux cartes paléogéographiques globales des reliefs et des topographies continentales les plus réalistes possibles, en fonction de la géodynamique (e.g.domaines en divergence vs convergence) et par analogie avec les systèmes récents. Nous intégrons ensuite les rétroactions entre altération/érosion et climat d’une part, et la dynamique de ces reliefs (la formation des aplanissements continentaux en particulier) d'autre part; ceci afin de coupler l’histoire des reliefs globaux, la consommation de CO2, et potentiellement la production de nutriments pour les biosphères continentales et marines. Un des points critiques est d’établir, au cours des temps géologiques, les contributions relatives des domaines orogéniques et non-orogéniques (cratoniques) sur les bilans géochimiques et sédimentaires.

EXEMPLE : Evolution climatique de la Terre au cours du Phanérozoïque et dérive des continents

CO2

En rouge, évolution de la teneur en CO2 lorsque la distribution spatiale des continents est prise en compte. En violet, simulation dans laquelle cette distribution n'est pas considérée.

Nous avons synthétisé 8 années de travail dans un article de revue. Il s'agissait de comprendre comment la dérive des continents module l'altération chimique des continents et donc l'évolution de la quantité de CO2 dans l’atmosphère et ainsi le climat de la Terre. Ce contrôle de premier ordre avait été largement négligé jusqu'ici. Pour parvenir à une prise en compte explicite de la paléogéographie, nous avons été les premiers à développer un modèle couplant un modèle numérique 3D du climat avec un modèle en réservoirs des cycles biogéochimiques (le modèle GEOCLIM).

Quelle est la réactivité de la surface des continents aux échelles de temps géologiques et dans quelle proportion influence elle les bilans sédimentaires globaux, la biosphère et les cycles biogéochimiques globaux ?

Ce thème sera de fédère les tectoniciens, géomorphologues, sédimentologues et géochimistes pour re-tracer l’histoire et la dynamique des aires drainées continentales en fonction de la géodynamique, des reconstitutions paléo-climatiques et paléo-océanographiques, des bilans sédimentaires et des signatures isotopiques des sédiments.

EXEMPLE : Couplage érosion-altération pendant le soulèvement et la destruction d'une chaîne de montagne.

La première étude a permis de préciser les liens entre érosion physique et altération chimique sur un domaine soumis à trois conditions tectoniques distinctes : pénéplaine stable, surrection (construction d'un relief) et démantèlement du relief (retour à la pénéplaine). Cette étude se place au cœur du débat concernant les rôles respectifs des chaînes de montagnes et des pénéplaines dans l'évolution climatique et géochimique des enveloppes fluides. Contrairement aux études précédentes (toutes unidimensionnelles verticales), c'était la première fois que ce type d'étude a été réalisé à l'aide d'un modèle numérique 3D. Deux résultats majeurs ont été obtenus.

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Evolution calculée de l'épaisseur du régolithe pendant la phase de surrection. La simulation démarre d'une pénéplaine à l'équilibre. Le taux de production maximum de régolithe est atteint 7 millions d'années après le début de la surrection, alors que l'érosion continue d'augmenter jusqu'à compenser le taux de surrection.

(1) Pendant la phase de surrection, l'altération chimique passe par un maximum avant le celui du flux d’érosion physique, puis l’altération diminue pour se stabiliser alors que le flux érosif continue d’augmenter. De même, lors de la phase de déclin de la chaîne, l'altération chimique diminue après l'érosion physique. Ces décalages temporels sont de l'ordre de 10 millions d'années, voire plus, et sont directement liés à la distribution spatiale de l’érosion/ altération.

(2) Ensuite, nous avons montré que les zones de pénéplaines s'altèrent de 5 à 100 fois moins vite qu'une chaîne en surrection. Cependant, la taille importante des pénéplaines implique qu'elles peuvent malgré tout avoir joué un rôle clé dans l'évolution climatique des derniers 40 millions d'années

Référence : Carretier S., Goddéris Y., Delannoy T., Rouby D., 2014. Mean bedrock- to- saprolite conversion and erosion rates during mountain growth and decline.Geomorphology, 209, 39-52.

EXEMPLE : Evolution des enveloppes superficielles en réponse à la dislocation de la Pangée

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Synthèse de la distribution spatiale des données εNd replacées sur une carte à 145 Ma.

La deuxième étude, étude pilotée par un chercheur de LOA compile un grand nombre de données εNd (incluant 53 nouvelles données acquises dans le cadre de l'étude) couvrant la quasi-totalité du Jurassique, période de dislocation du super-continent Pangée. En prenant en compte de manière précise la paléo-localisation des données, l'étude montre toute la complexité et la richesse de l'interprétation des données εNd qui ne peuvent pas être interprétées exclusivement en termes de changements dans la circulation océanique. Le glissement ou l'extension des zones humides vers les hautes latitudes lors d'épisodes de réchauffement (comme au Toarcien, 180 Ma, ou à la fin de l’Oxfordien 160 Ma) peut avoir modifié considérablement le rapport εNd des eaux de drainage continental, en augmentant la contribution de l'érosion de cratons anciens, et 'in fine' la composition isotopique des masses d'eau océanique.

Référence : Dera G., Prunier J., Smith P.L. Haggart J.W., Popov E., Guzhov A., Rogov M., Delsate D., Thies D., Cuny G., Pucéat E., Charbonnier G., Bayon G., 2014. Nd isotope constraints on ocean circulation, paleoclimate, and continental drainage during the Jurassic breakup of Pangea. Gondwana Research, doi: 10.1016/j.gr.2014.02.006.

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