Les variations de niveau des océans sont régies par la géotectonique globale et le climat d’une part et par le couple apport sédimentaire et tectonique locale d’autre part.

Les changements de volume océanique obéissent à la dynamique de croissance des dorsales océaniques : lors de l’ouverture de l’océan atlantique au Jurassique et au Crétacé une élévation du niveau océanique de l’ordre de 200 m en 150 Ma s’est produite (par rapport au niveau actuel) grâce à l’activité des dorsales rapides dont la vitesse d’expansion est de 5 à10 cm par an.

Le volume de magma émis par ce type de dorsales se traduit par des bombements responsables sur la durée de l’élévation du niveau marin.

Les dorsales lentes ont des vitesses d’expansion de l’ordre de 0,5 à 2 cm par an, la morphologie de ces dorsales présente un rift médian qui se traduira par un retrait de l’océan. 

Les cycles d’ouverture- fermeture océaniques -collisions de continents ont une durée de 400 à 600 MA sont dénommés cycles de Wilson, six à huit de ces cycles se seraient succédés depuis le début des temps géologiques soit vers -4 Milliards d’années.

Les différents cycles

Le jeu de rassemblement et d’éclatement des super-continents régit les deux  cycles majeurs de transgressions régressions du Précambrien Paléozoïque et Mésozoïque Cénozoïque. Ces cycles sont limités par des discordances majeures sur les bordures des bassins.

Ces super-cycles de l’ordre de quelques centaines de millions d’années sont régis par des phénomènes d’échanges de grandes quantités de matière entre le manteau supérieur et le manteau inférieur lors d’avalanches brutales qui perturbent la convection mantellique.

Ces phénomènes d’avalanche sont très vraisemblablement à l’origine de la formation des supercontinents par la convergence des matériaux du manteau supérieur au dessus de l’épicentre des avalanches.

L’arrivée en surface des courants de retour de l’avalanche, quelques dizaines de millions d’années après, provoquerait la brisure des supercontinents, notamment par l’accélération de l’activité des dorsales.

 

Les changements régionaux de taux de subsidence tectonique et, ou d’expansion océanique seraient responsables de cycles intermédiaires (3 à 50 Ma).

Les cycles plus courts (0.5 à 3 Ma) où les chutes du niveau marin seraient contrôlés par les phénomènes glaciaires.

Les cycles plus courts obéissent aux  variations de l’orbite terrestre et de l’inclinaison de l’axe de rotation, sont régies par des cycles dits de Milankovitch (astronome Serbe) qui influent sur l’ensoleillement relatif des hémisphères et sur les glaciations.

Sur les affleurements ce sont les cycles courts ou intermédiaires qui sont généralement représentés.

 

Le climat est directement influencé par la température, l’ensoleillement, la  composition de l’atmosphère, la répartition terres émergées océans entre autres.

Les variations de température entraînent une dilatation ou une rétractation du volume des eaux qui se traduisent par des variations relatives du niveau marin et des évènements glaciaires.

Le volcanisme introduit dans l’atmosphère un volume énorme de gaz à effet de serre et de poussières, conjugués à ceux des impacts de météorites leurs effets furent dévastateurs sur les changements climatiques et les extinctions massives des espèces.

 Le stockage de l’eau sur les continents inlandsis et glaciers pourrait faire varier le niveau des océans de 200 m : la fonte de la totalité des glaces actuelles se traduirait par une augmentation du niveau marin de 80 m . Lors des derniers épisodes glaciaires le niveau moyen des mers s’établissait à -120m du niveau actuel.

Le continent antarctique s’est retrouvé isolé au pôle sud et une calotte glaciaire s’est installée renforçant la tendance au refroidissement depuis l’Eocène.

Le climat est influencé par la présence de continents et de chaînes montagneuses qui agissent fortement sur le régime des précipitations, des vents et des courants marins. 

 

Le climat et les températures moyennes dépendent principalement de l’activité magnétique solaire et de la proportion des gaz à effet de serre : vapeur d’eau, dioxyde de carbone (CO2) , méthane (CH4) pour les principaux .

C’est le l’activité magnétique du soleil qui module la couverture nuageuse de basse altitude qui influe sur l’albédo : plus cette couverture est importante plus l’énergie solaire incidente est réfléchie et plus la température a tendance à baisser.

Les rayons cosmiques ionisent les particules des aérosols de l’atmosphère qui sont les germes des gouttelettes d’eau qui forment les nuages.

Ces rayons cosmiques sont émis en grandes quantité par les étoiles en fin de vie qui abondent dans les bras spiraux de la voie lactée qui en compte 4 principaux, le système solaire  accompli un cycle complet dans la voie lactée en 250 MA, il traverse un bras spiral tous les 150 MA ce qui se traduit par un chute des températures de 5 à 10 degrés Celsius et donc par des glaciations ,cette périodicité des épisodes chauds et glaciaires s’observe à travers les paléo températures issues des analyses des rapports des  isotopes 16O / 18O des brachiopodes. Actuellement le système solaire traverserait un bras spiral annexe.

Lors de la traversée de ces bras spiraux une plus grande quantité de rayons cosmiques atteignent la terre et engendrent une plus grande quantité de nuages de basse altitude.

 

La figure ci-dessus illustre la variation de la température moyenne de la basse atmosphère depuis l’Archéen : les glaciations les plus importantes sont identifiées par la lettre G, la lettre g correspond aux glaciations de moindre importance et la lettre S désigne les épisodes « snow ball » où la Terre était peut être entièrement englacée (voir annexe 1).

Les paramètres orbitaux ou cycles de Milankovitch influent également sur l’ensoleillement relatif de notre terre. La figure suivante illustre l’influence de l’excentricité de l’orbite.

 

Les Gaz à effet de serre

Leur concentration dans l’atmosphère joue aussi un rôle dans la régulation des températures.

Une grande partie du dioxyde de carbone est stocké dans les carbonates et les océans qui lorsqu’ils se réchauffent libèrent du CO2 .Les périodes glaciaires correspondent à de faibles teneurs en CO2, lors des collisions continentales l’altération à l’affleurement des  roches broyées entraine une consommation de CO2 qui tend à refroidir le climat. (Annexe 3)

Les trapps du volcanisme fissural des points chauds ,responsables de plusieurs extinctions massives, émettent dans l’atmosphère et les océans pendant des centaines de milliers d’années  des quantités énormes de SO2 et de CO2 qui ont des effets dévastateurs sur la faune et la flore  et génèrent  un effet de serre conjointement avec une possible libération  du méthane des « hydrates de carbone » des talus continentaux et des pergélisols. Les quantités de cendres expulsées dans la haute atmosphère ont en revanche un impact négatif sur les températures. (Annexe 4)

 

Les principales variations du niveau des océans résultent de l’effet conjugué de la géotectonique globale et du climat qui obéit principalement à l’activité solaire et pour une moindre part aux  concentrations des gaz à effet de serre. 

 

 

Lorsque le niveau marin s’élève, la ligne de côte et les dépôts littoraux associés se déplacent vers le continent il ya Transgression.

Les Régressions  correspondent à un abaissement du niveau marin, les aires des dépôts  sédimentaires issus de l’érosion se déplacent vers le large en construisant des deltas côtiers par exemple ou bien des dépôts turbiditiques profonds.

Ces cycles ponctuent l’histoire des dérives continentales et des orogénèses.

Les changements régionaux de taux de subsidence tectonique et/ou d’expansion océanique seraient responsables des cycles intermédiaires (3 à 50 MA).

 

Isostasie : érosion et subsidence

Lors des collisions continentales et de  l’édification des orogénèses, l’érosion intervient rapidement les sédiments érodés accumulés sur la lithosphère océanique exercent une surcharge qui se traduit par un enfoncement appelé subsidence qui fait remonter le niveau marin. L’érection d’une chaîne de 6000m d’altitude ne dure que quelques millions d’années (2 à 5 MA). L’érosion est plus efficace sur les reliefs jeunes et le taux d’abaissement important au départ décroîtra progressivement, le rééquilibrage isostatique se fait dans une proportion de 4/5 soit pour 5 mètres d’érosion correspond une remontée de 4 mètres. Le taux initial d’érosion est évalué à 1 mètre par millénaire, ( 1000 m/MA) ce qui conduit à un abaissement net de la chaîne de 200 m/MA (1000 m d’érosion et 800 m de remontée),le rythme de l’érosion diminue avec l’aplanissement des reliefs après 15 MA la chaîne est abaissée de la moitié de sa hauteur initiale et le taux net d’abaissement descend à 100 m/MA ,en 60 MA la chaîne est réduite à un nouveau segment de bouclier et après 90 MA le profil de base serait théoriquement atteint.

 

 

Mécanisme des cycles transgression régression

Les cycles transgressions régressions s’ordonnent selon une logique de succession d’environnements de dépôt qui se révèle un outil prédictif pour la recherche géologique appliquée entre autre.

Lorsque l’abaissement du niveau marin est très important,  le niveau de base des rivières change et l’érosion reprend très activement, le débit des rivières augmente ainsi que la quantité de sédiment qui arrive dans le bassin, des turbidites se mettront en place sur le fond du bassin, elles correspondront à une surface d’érosion sur le continent ou limite de séquence.

A ces turbidites, succèderont des dépôts plus côtiers qui enregistreront le déplacement de tout le système de dépôt vers le bassin.

Ces évènements constituent le cortège de bas niveau (lowstand tract ou LST)

Si l’abaissement du niveau marin est moins important, les turbidites ne seront pas déposées et des dépôts marins de plate forme se formeront.

Puis, la combinaison du ralentissement de l’érosion et de l’accélération du taux de subsidence, due à la charge des sédiments nouvellement déposés, provoquera une élévation du niveau marin qui se traduira par une transgression qui fera reculer la ligne de côte vers le continent. Il s’agit du cortège transgressif (transgressive system tract ou  TST).

Lors de cette transgression des sables déposés précédemment dans la plage submergée (shoreface) pourront être redéposés dans les estuaires, ainsi les dépôts de marées sont un critère de caractère transgressif.

La remontée du niveau marin atteint un maximum et finit par se stabiliser, jusqu’à la surface maximale d’inondation avec dépôt d’argiles marines riches en matière organique, autrement dit des roches mères d’hydrocarbures. (Annexe 2)

Le niveau marin cessant de monter et la tranche d’eau diminuant, les sédiments apportés par les rivières rempliront la tranche d’eau côtière en construisant des deltas qui feront reculer les côtes vers le bassin, c’est une régression avec progradation de deltas.

Il s’agit du cortège de haut niveau marin (highstand system tract ou HST)

Un nouvel abaissement du niveau marin se traduira par une limite de séquence érosive qui marquera le début d’un nouveau cycle qui se construira sur le précédent, l’empilement de ces séquences peut se faire sur des kilomètres.

Les deux figures suivantes schématisent la succession de ces cortèges de dépôt, où en fonction de l’importance de la chute du niveau marin se formeront ou non  des turbidites.

 

 

Cortèges de dépôts dus à une chute importante du niveau marin

 

Conclusion

Cortèges de dépôts dus à une chute  plus faible du niveau marin sans formation de turbidites

 

Illustration schématique des faciès rencontrés dans une séquence élémentaire avec une forte chute du niveau marin

 

 

 Conclusion

La dynamique interne terrestre et la l’activité magnétique du soleil sont les acteurs principaux qui régissent sur les variations du niveau des océans à travers la géotectonique globale, les réajustements isostasiques et le climat. Les cycles transgression-régression obéissent à une logique de  succession des environnements de dépôt qui se succèdent depuis les  continents jusqu’aux bassins océaniques.

 

ANNEXES

Quelques figures sont tirées de l’ouvrage de Vincent Courtillot : « NOUVEAU VOYAGE AU CENTRE DE LA TERRE ».

Annexe 1 : A propos de la Terre « Boule de neige » au Néo-protérozoïque : les données paléo- magnétiques suggèrent une localisation de la majorité des continents aux basses latitudes. Or, l’erreur sur les positions polaires est de l’ordre de plusieurs dizaines de degrés, des latitudes intertropicales pourraient se transformer en latitudes moyennes.

Une partie des « tillitoïdes «  seraient  des  turbidites et les sols polygonaux auraient une origine de dessiccation ; de plus l’activité biologique est marquée par le développement d’argiles noires riches en matière organique formées dans des océans libres de glaces.

Annexe 2 : Surface maximum d’inondation et principales roches mères du Précambrien au Tertiaire. 

Annexe 3 : Evolution du taux de dioxyde de carbone dans la basse atmosphère.

 

Annexe 4 : Les grandes extinctions et le volcanisme fissural. 

 

 

Article de Rémi  ANFRAY – membre de l’AVG

 

« Pour la Science » – 27.01.2012 

 

Il y a 251 millions d’années, 70 % des espèces terrestres et 95 % des espèces marines ont brusquement disparu. Cette extinction de masse, dite crise Permien-Trias ou encore crise fini-permienne, est la plus grande connue. Quelles sont ses causes ?

 

Les hypothèses vont de la formation du supercontinent géant de la Pangée aux impacts météoritiques en passant par le supervolcanisme. Or à la fin du Permien (il y a 299 à 251 millions d’années), un volcan géant a déposé quelque sept millions de kilomètres cubes de basaltes en Sibérie. Selon les conclusions complémentaires de plusieurs équipes, la pollution atmosphérique qui en a résulté serait le facteur clef de l’extinction de masse.

Nommés « traps de Sibérie », les épais épanchements basaltiques sibériens commencent juste derrière l’Oural et couvrent environ deux millions de kilomètres carrés, soit plus de trois fois la superficie de la France. Actif pendant plus d’un million d’années, ce volcanisme massif a déposé des couches de basaltes sur plusieurs kilomètres d’épaisseur et a pollué l’atmosphère. Pour préciser comment, Benjamin Black, du MIT, a étudié la composition chimique des inclusions vitreuses que l’on retrouve dans les falaises de laves sibériennes. Anciennes gouttelettes de magma liquide, ces inclusions renferment du gaz figé au sein de cristaux. Leur analyse chimique révèle notamment leurs teneurs en chlore, en soufre et en fluor. Rapportées à la masse des traps, ces teneurs suggèrent que 8 700 gigatonnes (milliards de tonnes) de chlore, 7 800 gigatonnes de soufre et entre 7 100 et 13 800 gigatonnes de fluor ont été larguées dans l’atmosphère. Pareilles émissions ont entraîné des pluies très acides et ont contribué à un changement climatique.

 

Or un réchauffement brutal était déjà enclenché par la libération d’énormes quantités de dioxyde de carbone, accompagnée d’émissions massives d’hydrocarbures halogénés, destructeurs de la couche d’ozone. C’est ce qu’ont établi en 2009 Henrik Svensen, de l’Université d’Oslo, et ses collègues, en montrant que l’arrivée du magma a provoqué un craquage massif de la matière organique contenue dans les sédiments de l’immense bassin sédimentaire de la Toungouska. Un dégazage intense s’en est suivi, qui s’est traduit par la formation de quelque 6 400 cratères de plusieurs kilomètres de diamètre?

Impressionnant ? La situation fut pire encore ! Hamed Semei et ses collègues de l’Université de Calgary, au Canada, ont examiné le rôle du mercure relâché durant l’éruption. Grâce à des échantillons provenant d’une coupe sédimentaire profonde du haut arctique canadien, ils ont retracé les variations à travers les temps géologiques du mercure atmosphérique. La concentration du mercure, issu notamment de la combustion des charbons et des pétroles à la faveur de l’éruption, a explosé à la fin du Permien pour atteindre environ 30 fois la concentration actuelle. Or il est bien connu aujourd’hui que le mercure atmosphérique s’accumule dans les algues et les autres organismes marins à la base de la chaîne alimentaire océanique.

Résumons : le supervolcanisme sibérien de la fin du Permien a déclenché un réchauffement climatique brutal, s’est accompagné de pluies fortement acides et a fait disparaître la couche d’ozone. Tout cela peut expliquer la disparition de 70 pour cent des formes de vie terrestres… mais pas celle de 95 pour cent des formes de vie marines. Certes, en mer, l’acidification des eaux due aux pluies acides et à la dissolution des gaz atmosphériques a pu jouer un rôle important, mais elle ne semble pas pouvoir expliquer à elle seule une extinction quasi totale. Un facteur supplémentaire a été nécessaire : l’empoisonnement massif des océans par le mercure ?

François Savatier, journaliste à « Pour la Science ».