Mots clés : forage, dôme C, archive climatique, paléoclimat, Quaternaire, carotte de glace, cycle climatique, Dryas, MPR - Mid-Pleistocene Revolution, MBE - Mid-Brunhes Event

Archives climatiques des 740.000 dernières années

Florence Kalfoun

ENS-Lyon

Laurent Augustin

CNRS . Univ. J. Fourier (Grenoble) - LGGE

Florence Kalfoun

ENS Lyon / DGESCO

19/10/2004

Résumé

Rappels sur les données climatiques du Quaternaire et présentation des principaux résultats (Nature - 10 juin 2004) de la plus ancienne reconstitution climatique obtenue à ce jour à partir de carotte glaciaire vient et réalisée dans le cadre du projet EPICA (European Project for Ice Coring in Antarctica).


Introduction

La plus ancienne reconstitution climatique jamais obtenue à partir de carotte glaciaire vient d'être réalisée dans le cadre du projet EPICA (European Project for Ice Coring in Antarctica), initié en 1995 et regroupant des scientifiques de dix nationalités différentes. Le but de ce projet était d'obtenir deux carottes de glace à l'est de l'Antarctique. Le premier forage situé à la station Kohnen dans le secteur de la Reine Maud (Dronning Maud Land sector) visait à fournir un enregistrement de haute résolution du dernier cycle glaciaire-interglaciaire en Antarctique en vue de le comparer aux enregistrements climatiques du Groenland (forages GRIP, NorthGRIP, GISP2, ... ). Le second forage appelé EDC a eu lieu au Dome C et avait pour but de remonter le plus loin possible dans le temps. Le contrat a été rempli car les échantillons de glace prélevés ont permis de remonter jusqu'aux 740 000 dernières années. Les résultats de cette mission ont été publiés dans la revue Nature du 10 juin 2004. Nous vous en présentons ici les principales informations accompagnées de quelques rappels sur les données climatiques du Quaternaire.

Rappel des récentes données climatiques du Quaternaire

Les enregistrements climatiques issus des carottes de glace (Vostock par exemple) et des sédiments marins montrent que le climat des 500 000 dernières années est caractérisé par des cycles climatiques (1) d'environ 100 000 ans. En revanche, la première partie du Quaternaire c'est-à-dire la période antérieure à 1 million d'années semble dominée par des cycles de 41 000 ans. Rappelons qu'une période de 41 000 ans est à relier aux variations de l'obliquité de l'axe de rotation de la Terre et qu'une période de 100 000 ans est due aux variations de l'excentricité de l'orbite terrestre. En ce qui concerne l'époque intermédiaire (entre 500 000 et 1 million d'années), il est difficile de dire quelle période (100 000 ou 41 000 ans) prédomine, mais il semble que les variations soient de plus faible amplitude (figure 1).

(1) Un cycle climatique est constitué d'une période glaciaire et d'une période interglaciaire.

Figure 1. Changement de style dans les variations climatiques depuis 1 500 000 ans.

Changement de style dans les variations climatiques depuis 1 500 000 ans.

(a) Enregistrement des variations isotopiques (δ18O) des foraminifères benthiques à partir du forage ODP au site 849 dans le Pacifique. (b) Enregistrement précédent filtré pour ne faire apparaitre que les cycles de 100 000 ans (d'après Mix et al. 1995). Source : Wright, A. K., and B. P. Flower, Surface and deep ocean circulation in the subpolar North Atlantic during the mid-Pleistocene revolution, Paleoceanography, 17(4), 1068, 2002.


Deux transitions majeures ont été identifiées à partir des enregistrements des volumes de glace tirés des données isotopiques des forages marins profonds (figure 2) :

  • la « mid-Pleistocene revolution » (MPR), période au cours de laquelle la périodicité dominante des cycles glaciaire/interglaciaire passe de 41 000 ans à 100 000 ans. Une augmentation du volume total des glaces caractérise également cette période. La MPR a lieu vers 900 000 ans (entre 600 000 ans et 1 200 000 ans).(figure 2)
  • le « mid Brunhes event » (MBE), évènement correspondant à la transition entre les périodes 11 et 12 (marine isotope stages 11 et 12 : MIS 11 et MIS 12), appelé encore terminaison (2) V, s'est produit il y a 430 000 ans, et a amorcé le passage vers une période caractérisée par les quatre cycles glaciaire/interglaciaire de 100 000 ans et de grande amplitude (figure 2).

Figure 2. Exemple d'enregistrement climatique obtenu à partir de la carotte PS2489-2 et du site 1090 et localisation des évènements climatiques marquants.

Exemple d'enregistrement climatique obtenu à partir de la carotte PS2489-2 et du site 1090 et localisation des évènements climatiques marquants.

La colonne A indique les variations isotopiques (δ18O) des foraminifères benthiques de la carotte PS2489-2 et du site 1090. La colonne B est une reconstitution de la température de surface de l'océan au Pléistocène (Pleistocene Sea Surface Temperature : SSTs). Les lignes grisées verticales indiquent la gamme des températures actuelles du front polaire (Polar Front : PF), du front subantarctique (Subantarctic Front : SAF), du front subtropical (SubTropical Front : STF) et des températures actuelles de la surface de l'océan (SSST). La colonne D réprésente la distribution des grains détritiques grossiers amenés par les glaciers (Ice Rafted Debris : IRD, >150 μm). Les bandes grises correspondent aux périodes glaciaires (Marine Isotope Stages : MIS) numérotées par ordre croisssant de la plus récente à la plus ancienne. MBE= Mid-Brunhes Event, B/M=limite Brunhes/Matuyama, MPR = Mid-Pleistocene Revolution. Source : Sabine Becquey and Rainer Gersonde, Chap. 14, Data Report, ODP Leg 177 Site 1090.


(2) Remarque sur les terminaisons : une terminaison est une phase de basculement glaciaire/interglaciaire(notée en chiffres romains sur la (figure 3). La terminaison I sépare le dernier stade glaciaire de l'Holocène, cela s'est produit il y a entre 8 500 et 12 000 ans. La terminaison II (vers 130 000 - 140 000 ans) a été très rapide. Les fins de terminaison sont souvent caractérisées par des oscillations rapides, appelées évènements de type Heinrich. Ces évènements se repèrent dans les forages marins par des accumulations sédimentaires de matériaux détritiques terrigènes grossiers (forte concentration en IRD), par une diminution du rapport isotopique de l'oxygène, par un remplacement des espèces de foraminifères planctoniques subpolaires par un taxon polaire, par des pics de susceptibilité magnétique. Elles sont liées à un relargage très important et soudain d'iceberg conduisant à une baisse de la température de surface. Durant le dernier glaciaire 6 évènements de type Heinrich ont été identifiés (H1-H6). Ils sont surtout visibles sur les enregistrements obtenus sur sédiments marins.


La période entre la MPR et le MBE, c'est-à-dire entre 500 000 et 1 millions d'années est moins clairement définie : il est plus difficile d'y retrouver la dominance de l'une des deux périodes (41 000 ou 100 000 ans). Le forage EDC donne l'opportunité d'étudier plus précisément les variations climatiques précédant le MBE.

Localisation et intérêt du forage du dôme C

Le forage en question est situé au Dôme Concordia (dôme C), à l'est de l'antarctique à 56 km de l'ancien forage du dôme C et à 560 km du célèbre forage de la station russe de Vostock (figures 4 et 5). Nous rappelons que ce dernier a été largement exploité pour reconstituer les variations climatiques des 420 000 dernières années.

Figure 4. Carte de localisation des forages antarctiques.

Carte de localisation des forages antarctiques.

Source : Nature, vol 429, 10 juin 2004, 623-628, doi: 10.1038/nature02599


Figure 5. La station du dôme C : 75°S, 142°E, 3 250 m d'altitude.

La station du dôme C : 75°S, 142°E, 3 250 m d'altitude.

La température moyenne annuelle du site est -53°C.


A l'aplomb du point de forage, la calotte glaciaire a une épaisseur de 3 309±22 m, le forage actuel a permis de prélever les 3 190 premiers mètres de glace, mais seuls les 3 139 premiers mètres ont été analysés.

La glace est forée à l'aide d'un carottier (figures 6, 7, 8). La tour de forage, pouvant basculer de la position verticale à horizontale soutient le carottier (figure 8). A chaque passe, le carottier descend au fond du trou par son propre poids, usine la carotte. Pour cela, le tube carottier long de 3,5 mètres tourne à l'intérieur d'un tube rainuré longitudinalement de spirales, son avancée est de 4 à 5 mm par tour. Les copeaux générés par les outils coupants remontent le long des spirales entre le tube carottier et le tube extérieur tout en étant mélangés au fluide. Puis aidés par une pompe, ils sont stockés dans le réservoir (figure 10). En fin de forage, lorsque le carottier est plein, il est tiré par le cable électroporteur du treuil et remonte la carotte de glace avec les copeaux à sa surface (figures 9 et 10). Les carottes sont ensuite mesurées, répertoriées, échantillonnées et expédiées dans divers laboratoire pour les mesures non réalisées sur place. En général, la moitié de la carotte est archivée en cas de développements analytiques futurs (figure 11).

Figure 6. Schéma du carottier.

Schéma du carottier.

Le carottier est une machine autonome au fond du trou, la tour de forage peut basculer de la position horizontale à verticale, le treuil est muni d'un cable électroporteur.


Figure 7. Principe du forage.

Principe du forage.

Le trou est tubé pour l'étanchéité dans le névé. Un fluide de forage de même densité que la glace est utilisé pour contrebalancer la pression hydrostatique.(Densité de la glace: 923 kg/m3 à –53°C).


Figure 8. La tour de forage sous la tente de forage.

La tour de forage sous la tente de forage.

La cabine de pilotage se situe à gauche, le treuil avec son moteur au fond, la tour avec le carottier au centre Une table pour l'extraction du tube carottier est au premier plan, les tables pour la récupération des carottes à droite.


Figure 9. Extraction d'une carotte.

Extraction d'une carotte.

La carotte est extraite délicatement du carottier. Le trou de forage a un diamètre de 129,6 mm et la carotte un diamètre de 98 mm. En haut à droite, détail de la tête du carottier munie de trois outils engageants en acier trempé.



Figure 11. Stockage des carottes de glace.

Stockage des carottes de glace.

Il ne reste qu'une centaine de mètres pour atteindre le socle rocheux. Mais l'extraction de la glace à partir de 3.100 m de profondeur est délicate. En effet, compte tenu du gradient géothermique, la glace atteint presque son point de fusion vers 3.100 m et fondante, elle peut facilement pénétrer dans le matériel de forage, puis se solidifier lors de la remontée et bloquer tout le mécanisme (figure 12). Un système antigel sera utile pour arriver au bout du forage, cet objectif devrait être atteint d'ici décembre 2004.

Figure 12. Exemples de copeaux regelés pouvant bloquer le mécanisme.

Exemples de copeaux regelés pouvant bloquer le mécanisme.

Méthode utilisée et significations des paramètres mesurés

Les paramètres mesurés sont :

  • la conductivité thermique (figure 13)

    Elle est liée aux variations de l'acidité de la glace. La conductivité augmente durant le périodes froides et les périodes chaudes mais ses valeurs sont plus basses au cours des périodes climatiques intermédiaires.

Figure 13. Mesure in situ non destructive de la conductivité thermique.

Mesure in situ non destructive de la conductivité thermique.

  • la quantité de poussière (« dust » en anglais).

    Les périodes froides en Antarctique sont caractérisées par des apports de poussière plus importants qu'en période interglaciaire. Ceci est à relier à une diminution du niveau marin pendant la période glaciaire mettant ainsi à nu une plus grande surface continentale. A cela s'ajoute une augmentation de l'aridité et de la force des vents qui contribue à transporter vers les pôles les poussières issues de l'érosion des continents

  • la taille des grains de glace (figure 14)

    Plus la glace est riche en particules, plus le taux de croissance des cristaux de glace est faible. Par conséquent, une diminution de la taille des cristaux de glace indique une transition interglaciaire/glaciaire. D'autre part la vitesse de croissance des cristaux est aussi influencée par la température de la glace.


  • le rapport isotopique δD de la glace, mesuré par spectrométrie de masse sur quelques millilitres d'eau.

    Les deux isotopes de l'hydrogène les plus abondants sont 1H (99,985 %) et 2D (ou deutérium)(0,015 %). L'eau formant la glace peut donc être préseente sous différentes formes isotopiques dont les plus abondantes sont : H2 16O, HD16O, H18O. Ces molécules diffèrent par leur masse et leur symétrie, et pour cette raison, elles vont être fractionnées (c'est-à-dire que leurs proportions dans l'eau vont changer) au cours des processus d'évaporation, de condensation. La vapeur est enrichie en isotopes légers et la mer s'enrichit alors en isotopes lourds. Le fractionnement est mesuré par δD.

    δD = 1000 x [(HDO / H2O)ech / (HDO / H2O)smow - 1] où SMOW est la composition moyenne de l'océan qui vaut 155,76 x 10-6

    Au cours de son transport vers les pôles, l'air humide se refroidit et son eau se condense, concentrant préferentiellement les isotopes lourds. La phase vapeur s'enrichit alors d'autant plus en isotopes légers. D'autre part, plus la température du lieu de condensation est basse, plus les condensations sont intenses et plus la masse d'air humide s'appauvrit en isotopes lourds. Par conséquent, lorsque les neiges tombent sur les pôles, elles sont plus appauvries en isotopes lourds. Des mesures actuelles montrent que la composition isotopique de la neige des calottes polaires dépend linéairement de la température de l'air au moment de la précipitation neigeuse. En extrapolant ces mesures au passé, il est donc possible de déduire la température de l'air au pôle à partir des mesure de δD.

    Ainsi, les périodes chaudes sont marquées par des pics de δD et les périodes glaciaires sont marquées par des précipitations pauvres en δD.

    Des exemples de calculs sont disponibles sur le site Planet-Terre dans le TD Paléoclimat de Gilles Delaygues.

  • l'âge de la glace

    L'évaluation de l'âge de la glace n'est pas une mince affaire. Pour évaluer l'âge de la glace, il faut tenir compte du taux d'accumulation de la glace (quantité de neige restant en surface au bout d'une année), de la vitesse d'écoulement de la glace et de l'amincissement des couches de glace au fur et à mesure de leur enfoncement. Des modèles basés sur des équations physiques sont utilisés. Mais il est par ailleurs quand même nécessaire de caler certains paramètres du modèle en prenant en compte des points connus datés par une autre méthode. Ces points connus datés sont par exemple les terminaisons II, III, IV, VII, VIII, bien identifiés dans les carottes de sédimentaires marines. (Voir les mesures de δD, taille des grains, poussière, conductivité électrique en fonction de la profondeur et les comparer à la figure 15)

  • les teneurs des bulles d'air en CO2 et CH4

    Ces deux gaz à effet de serre séjournent suffisamment longtemps dans l'atmosphère pour que la concentration de ces gaz s'homogénéise à la surface de la Terre. Il est donc possible de se servir de ces mesures pour comparer et dater relativement des profils obtenus dans différentes carottes de glace. On peut également noter que l'air peut diffuser au sein du névé et que les bulles d'air ne sont piègées qu'à la base du névé ce qui engendre un décalage entre l'âge des bulles d'air et l'âge de la glace d'un même niveau. Il faut donc également en tenir compte pour recaler l'âge des gaz.

Résultats

Les résultats obtenus avec la carotte EDC du dôme C confirment ce qui était préssenti par les analyses des sédiments marins, à savoir une variabilité climatique plus faible pour la période antérieure à 430 000 ans (figure 15). La période comprise entre -430 000 ans et -740 000 ans se caractérise par des maxima glaciaires moins froids (à l'exception du stade 16.2) et des interglaciaires moins chauds que les 430 000 dernères années (figure 15). L'histogramme de la figure 16 montre en effet l'absence de périodes très chaudes entre 430 000 ans et 740 000 ans.

Figure 15. Comparaison des données obtenues au dôme C avec celles des autres enregistrements paléoclimatiques.

Comparaison des données obtenues au dôme C avec celles des autres enregistrements paléoclimatiques.

(a) Enregistrement de l'insolation : courbe bleue supérieure (axe de gauche) correspond à l'insolation à la mi-juillet à 65°N, la courbe noire (axe de droite) correspond à l'insolation annuelle à 75°N la latitude du dôme C. (b) variation isotopique du deutérium moyenné à 3000 ans. La courbe rouge correspond aux données de Vostock. Les numéros des stades MIS sont indiqués. (c) Variations isotopiques des enregistrements marins (site MD900963 et ODP6773, en pointillé : ODP site 677). 'd) Variations de la teneur en poussières dans le forage EPICA du dôme C. Source : Epica, Nature, vol 429, 10 juin 2004, 623-628, doi: 10.1038/nature02599.


Figure 16. Histogramme des valeurs de δ18O avant et après 430 000 ans.

Histogramme des valeurs de δ18O avant et après 430 000 ans.

Source : Epica, Nature, vol 429, 10 juin 2004, 623-628, doi: 10.1038/nature02599


Le climat semble plus ordonné, plus prédictible après la MBE, ceci résultant peut-être de l'émergence de nouveaux mécanismes de rétro-contrôle liés à des conditions limites (circulations océaniques, albedo, isostasie, CO2...) en cours de changement.

Cette étude confirme également le rôle clé de l'interglaciaire 11 (MIS 11), d'une part car il se situe à la limite entre deux styles de variations climatiques et d'autre part car il est exceptionnellement long (il a duré 28 000 ans, il y a environ 420 000 ans). De plus, les conditions astronomiques (excentricité de l'orbite terrestre et obliquité de l'axe de rotation de la Terre) actuels étant similaires à ceux de MIS 11, cet interglaciaire est considéré comme un bon analogue du présent et du climat futur sans intervention de l'Homme. Aussi cette analogie suggère-t-elle que l'interglaciaire actuel, initié il y a environ 12 000 ans aurait pu se prolonger pendant 16 000 ans si l'Homme n'était pas intervenu.

La terminaison V correspondant à la transition entre le stade 11 et le stade 12, a été étudiée de manière plus détaillée dans le but de la comparer à d'autres terminaisons comme par exemple la terminaison I . (figure 17). Les valeurs de différents paramètres (δD, % CO2 , % poussière, concentration en Na et en SO4 2-) mesurées avant et après chacune des terminaisons I et V montrent d'une part que les valeurs « glaciaires » mesurées juste avant ces terminaisons sont similaires et que d'autres part les valeurs « interglaciaires » mesurées juste après ces terminaisons sont également très voisines l'une de l'autre. Cette observation confirme l'absence d'un changement climatique de plus long terme depuis le MBE.

Une comparaison des enregistrements des teneurs en gaz à effet de serre de la terminaison I et de la terminaison V montre que l'allure générale de ces enregistrements est similaire : la teneur en CO2 croit régulièrement et celle en CH4 atteint sa valeur interglaciaire après une lente augmentaion suivie d'un saut. Cependant, aucun évènement similaire au Younger Dryas n'est observable sur le profil de la terminaison V, contrairement celui de la terminaison I.

Un certain décalage temporel entre l'initiation de l'augmentation des la teneurs atmosphériques en CO2 d'une part et en CH4 d'autre part est bien visible sur la figure18. La teneur en CH4 commence à augmenter environ 4 000 à 5 000 ans plus tard que ne le fait celle en CO2. Pendant ces 5 000 ans, la teneur en CO2 a déjà augmenté de 50 ppmv (partie par million en volume). Ce décalage n'a pas été observé au cours des quatre dernières terminaisons : l'augmentation des teneurs en CO2 et en CH4 y étaient concomittantes.

Figure 17. Évolution des teneurs en dioxide de carbone et méthane, du rapport isotopique δD durant la terminaison I, période de transition entre le dernier maximum glaciaire (LGM) et l'Holocène obtenus au dôme Concordia, Antarctique.

Évolution des teneurs en dioxide de carbone et méthane, du rapport isotopique δD durant la terminaison I, période de transition entre le dernier maximum glaciaire (LGM) et l'Holocène obtenus au dôme Concordia, Antarctique.

Source : Monnin et al., Atmospheric CO2 Concentrations over the Last Glacial Termination, Science 5 January 2001; 291: 112-114, DOI: 10.1126/science.291.5501.112


Figure 18. Évolution des teneurs en dioxide de carbone et méthane, du rapport isotopique dD et de la teneur en poussières au cours de la terminaison V.

Évolution des teneurs en dioxide de carbone et méthane, du rapport isotopique dD et de la teneur en poussières au cours de la terminaison V.

Source : Epica, Nature, vol 429, 10 juin 2004, 623-628, doi: 10.1038/nature02599


Les derniers mètres de glace restant à forer devraient permettre de remonter au moins jusqu'à 780 000 dernières années, date généralement admise pour l'inversion magnétique Brunhes-Matuyama et d'en étudier l'enregistrement par les isotopes cosmogéniques tels que 10Be. Si tout se passe bien, de la glace de -960 000 ±20 ans devrait être récupérée à la base du forage, ce qui devrait permettre d'attendre le stade 26 (MIS 26) juste au delà de la MPR.

Mots clés : forage, dôme C, archive climatique, paléoclimat, Quaternaire, carotte de glace, cycle climatique, Dryas, MPR - Mid-Pleistocene Revolution, MBE - Mid-Brunhes Event