CE49 - Planétologie, structure et histoire de la terre

Contrôle tectonique de la dernière transition entre les modes climatiques de greenhouse et de icehouse : the rôle du soulèvement de l'Afrique – RISE

Tectonic control on the last gReenhouse to Icehouse tranSition: the risE of Africa

Le projet vise à identifier le rôle de la surrection du continent africain au Crétacé supérieur (90-65 Ma) dans le refroidissement climatique global initiant la dernière transition du climat chaud du Crétacé à notre climat froid actuel marqué par la présence de calotte polaires permanentes. Ce rôle est exploré à travers une approche combinée de traceurs de l’altération des silicates, un processus consommant du CO2 atmosphérique, central dans l’évolution du climat, de données de flux et volumes de sédiments érodés et déposés dans les bassins adjacents, et de modèles couplés géochimiques et climatiques, permettant en s’appuyant sur les données générées de calculer la consommation en CO2 directement liée à la surrection de l’Afrique par une accélération de l’altération continentale liée à cet événement tectonique majeur.

Déterminer la part de CO2 atmosphérique consommé par l'augmentation de l'altération des silicates liée à la surrection du continent africain au Crétacé supérieur.

La dernière transition climatique greenhouse-icehouse montre une correspondance temporelle frappante entre les deux refroidissements majeurs ayant conduit à l’entrée dans un mode «icehouse» à 34Ma et les phases clés de la convergence Afrique-Eurasie. Ces phases clés correspondent à une accélération de la convergence entre les deux plaques et à des modifications majeures de leur régime de déformation. Des reliefs se forment sur une grande partie de l’Afrique et de l’Eurasie, associés à une augmentation des taux de dénudation des continents.<br />Se focalisant sur la première étape de cette transition climatique, RISE aborde un processus critique et pourtant sous-exploré ayant pu jouer un rôle décisif dans cette transition climatique, la consommation de CO2 par l’altération accrue de silicates lors de la formation de reliefs associés à la convergence Afrique-Eurasie.

Des études récentes ont montré que le découplage de l’eNd et de l’eHf dans la fraction argileuse de sédiments actuels, représenté par l’écart de l’eHf à la « droite des argiles » (DeHf), était fortement corrélé à l’intensité de l’altération sur le continent adjacent. Dans le WP1, l’application de ce nouveau traceur sera étendue au Crétacé supérieur, pour accéder à l’évolution locale de l’intensité de l’altération continentale au niveau de 13 sites clés dans des régions montrant une formation importante de relief en Afrique et Eurasie. La dominance d’illite et de chlorite dans les assemblages de minéraux argileux reflète une érosion physique importante du socle cristallin, représentée par un rapport illite/smectite élevé. Dans le WP1, l’évolution du rapport illite/smectite des argiles sera également établie au niveau des mêmes sites clés analysés pour le DeHf, pour obtenir l’évolution relative de l’érosion et de l’altération. Une approche indépendante et complémentaire, basée sur les isotopes du Li dans les argiles, sera également appliquée pour tracer l’évolution de l’altération chimique continentale.
L’approche développée dans le WP1 donne accès au cadre temporel des changements d’altération et d’érosion au niveau des sites-clés, mais ne permet pas de calculer des taux d’altération chimique et de dénudation. Dans le WP2, des volumes de sédiments compactés seront calculés dans les mêmes régions clés que dans le WP1, en utilisant des profils sismiques avec des réflecteurs datés ainsi que le code « Volume Estimator » développé à Géoscience Rennes. Cette méthode a déjà été appliquée avec succès sur la partie australe de l’Afrique et sera étendue au reste des marges africaines et téthysiennes. En combinant cette approche avec les données isotopiques et minéralogiques établies dans le WP1, qui donne la durée des épisodes d’altération et d’érosion accrues au niveau de chaque site dans un cadre temporel plus précis, des flux de sédiments terrigènes arrivant dans les bassins versants principaux seront calculés.
Dans le WP3, la distribution spatiale des températures continentales et des précipitations générés par le modèle climatique de l’IPSL-CM5A2 sera utilisée pour forcer le modèle biogéochimique GEOCLIM et simuler la distribution spatiale des flux d’altération et d’érosion, et calculer la consommation de CO2 associée. Les flux de sédiments érodés calculés dans le WP2 et les enregistrements isotopiques et minéralogiques établis dans le WP1 seront utilisés pour trouver la configuration de reliefs (altitude, morphologie) sur la carte paléogéographique utilisée pour laquelle la meilleure adéquation modèle-donnée est obtenue. La consommation de CO2 atmosphérique associée à la formation de reliefs par la convergence Afrique-Eurasie au cours du Crétacé supérieur sera alors estimée à partir de cette configuration par le modèle GEOCLIM.

La première partie du projet est consacrée à l’acquisition d’enregistrements de l’altération et de l’érosion de différentes parties de la marge africaine, à partir de traceurs géochimiques et minéralogiques (WP1). Au démarrage du projet, les régions ciblées initialement ont été élargies à la marge sud-américaine qui présente également une phase de soulèvement au cours de la période étudiée et aurait ainsi pu contribuer au refroidissement du Crétacé supérieur.
Au cours des premiers 18 mois du projet, des échantillons des sites ODP/DSDP 356 (bassin de Sao Paulo, marge sud-est brésilienne), 1259 (Demerara Rise, au large de la Guyane), 959 (côte d’Ivoire-Ghana, marge ouest-africaine) ont été obtenus et analysés pour leur composition isotopique (eNd, eHf, DeHf) et minéralogique de la fraction argileuse, complétés par des analyses de concentration en éléments majeurs et traces. Les premiers résultats issus de ces sites montrent clairement une réponse forte de l’érosion de la marge et de l’altération des silicates au soulèvement tectonique à la fois de la marge ouest africaine et de la marge est sud-américaine, qui se décline différemment en fonction de l’intensité du soulèvement et en fonction de la ceinture climatique, et en particulier des conditions d’hydrolyses en place. Au niveau de la marge sud-est Brésilienne (site 356), les données mettent en évidence une augmentation de l’érosion associée à un épisode de soulèvement de la marge du Turonien au Santonien, qui se produit dans un climat local insuffisamment hydrolysant pour générer une réponse de l’altération. Le DeHf montre clairement une augmentation au Campanien à la suite de cet épisode tectonique, le relief créé permettant la mise en place de conditions localement plus hydrolysantes sur son versant est. Les résultats de cette première étude ont été publiés dans une revue internationale de rang A (Corentin et al., 2022, Chemical Geology). Au niveau de Demerara Rise (site 1259), qui se situe dans une ceinture climatique humide tout au long du Crétacé supérieur, une intensification de l’altération continentale est enregistrée du Campanien moyen au Maastrichtien, concomitante à un épisode de soulèvement de la marge guyanaise. Au cours de la période de quiescence tectonique précédent cet épisode, une diminution de l’altération est enregistrée, en réponse au refroidissement climatique global. Les résultats ont donné lieu à la rédaction d’un article, qui vient d’être accepté dans une revue de rang A internationale (Corentin et al., sous presse, Marine Geology). Au niveau du site 959, le soulèvement de la marge ouest-africaine dans une ceinture climatique humide induit là aussi une augmentation de l’érosion et une intensification de l’altération du Santonien au Campanien moyen. Un article est en cours de rédaction pour valoriser ces résultats.

Le nouveau traceur de l’altération des silicates sur les continents, basé sur le couplage de la composition isotopique du néodyme et de l’hafnium dans les argiles, a été appliqué pour la première fois à des environnements ancien, et montre un potentiel très intéressant et complémentaire aux traceurs existants.
Les premières données montrent une intensification de l’altération des silicates à une large échelle spatiale de la marge ouest africaine et est sud-américaine qui a pu contribuer au refroidissement climatique global enregistré au cours du Crétacé supérieur. Les simulations prévues dans la WP3 sont nécessaires pour quantifier cet impact, mais les premiers résultats montrent un rôle potentiellement majeur des événements tectoniques dans l'évolution du climat. Ce résultat est majeur car nos connaissances des liens tectonique-climat sont largement basés sur les études de la formation de l'himalaya et restent très discutées.

Corentin, P., Pucéat, E., Pellenard, P., Guiraud, M., Blondet, J., Bayon, G., & Adatte, T. (2022). Late Cretaceous evolution of chemical weathering at the northeastern South American margin inferred from mineralogy and Hf-Nd isotopes. Marine Geology, 106968.
Corentin, P., Pucéat, E., Pellenard, P., Freslon, N., Guiraud, M., Blondet, J., ... & Bayon, G. (2022). Hafnium neodymium isotope evidence for enhanced weathering and uplift-climate interactions during the Late Cretaceous. Chemical Geology, 591, 120724.

La dernière transition climatique greenhouse-icehouse montre une correspondance temporelle frappante entre les deux refroidissements majeurs ayant conduit à l’entrée dans un mode «icehouse» à 34Ma et les phases clés de la convergence Afrique-Eurasie. Ces phases clés correspondent à une accélération de la convergence entre les deux plaques et à des modifications majeures de leur régime de déformation. Des reliefs se forment sur une grande partie de l’Afrique de l’Eurasie, associés à une augmentation des taux de dénudation des continents.
Se focalisant sur la première étape de cette transition climatique, RISE aborde un processus critique et pourtant sous-exploré ayant pu jouer un rôle décisif dans cette transition climatique, la consommation de CO2 par l’altération accrue de silicates lors de la formation de reliefs associés à la convergence Afrique-Eurasie. Organisé en 3 Work Packages (WPs), RISE a pour objectif de quantifier la part de la diminution de CO2 atmosphérique enregistrée au Crétacé supérieur qui est liée à ce processus.
Des études récentes ont montré que le découplage de l’eNd et de l’eHf dans la fraction argileuse de sédiments actuels, représenté par l’écart de l’eHf à la « droite des argiles » (?eHf), était fortement corrélé à l’intensité de l’altération sur le continent adjacent. Dans le WP1, l’application de ce nouveau traceur sera étendue au Crétacé supérieur, pour accéder à l’évolution locale de l’intensité de l’altération continentale au niveau de 13 sites clés dans des régions montrant une formation importante de relief en Afrique et Eurasie. La dominance d’illite et de chlorite dans les assemblages de minéraux argileux reflète une érosion physique importante du socle cristallin, représentée par un rapport illite/smectite élevé. Dans le WP1, l’évolution du rapport illite/smectite des argiles sera également établie au niveau des mêmes sites clés analysés pour le ?eHf, pour obtenir l’évolution relative de l’érosion et de l’altération. Une approche indépendante et complémentaire, basée sur les isotopes du Li dans les argiles, sera également appliquée pour tracer l’évolution de l’altération chimique continentale.
L’approche développée dans le WP1 donne accès au cadre temporel des changements d’altération et d’érosion au niveau des sites-clés, mais ne permet pas de calculer des taux d’altération chimique et de dénudation. Dans le WP2, des volumes de sédiments compactés seront calculés dans les mêmes régions clés que dans le WP1, en utilisant des profils sismiques avec des réflecteurs datés ainsi que le code « Volume Estimator » développé à Géoscience Rennes. Cette méthode a déjà été appliquée avec succès sur la partie australe de l’Afrique et sera étendue au reste des marges africaines et téthysiennes. En combinant cette approche avec les données isotopiques et minéralogiques établies dans le WP1, qui donne la durée des épisodes d’altération et d’érosion accrues au niveau de chaque site dans un cadre temporel plus précis, des flux de sédiments terrigènes arrivant dans les bassins versants principaux seront calculés.
Dans le WP3, la distribution spatiale des températures continentales et des précipitations générés par le modèle climatique de l’IPSL-CM5A2 sera utilisée pour forcer le modèle biogéochimique GEOCLIM et simuler la distribution spatiale des flux d’altération et d’érosion, et calculer la consommation de CO2 associée. Les flux de sédiments érodés calculés dans le WP2 et les enregistrements isotopiques et minéralogiques établis dans le WP1 seront utilisés pour trouver la configuration de reliefs (altitude, morphologie) sur la carte paléogéographique utilisée pour laquelle la meilleure adéquation modèle-donnée est obtenue. La consommation de CO2 atmosphérique associée à la formation de reliefs par la convergence Afrique-Eurasie au cours du Crétacé supérieur sera alors estimée à partir de cette configuration par le modèle GEOCLIM.

Coordination du projet

Emmanuelle Puceat (BIOGEOSCIENCES - UMR 6282)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

BGS BIOGEOSCIENCES - UMR 6282
GEOSCIENCES RENNES
GET Géosciences Environnement Toulouse

Aide de l'ANR 573 480 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2020 - 48 Mois

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