La tectonique des plaques change-t-elle le climat global ?

Les variations climatiques au Cénozoïque

Au cours du Cénozoïque, entre 65 millions d'années (Ma) et notre époque moderne, le climat global a connu une révolution fondamentale liée à la mise en place et à la croissance de ses deux calottes de glace polaires. La Terre est ainsi passée d'une configuration sans calottes, dite Greenhouse, de climat chaud, à une configuration avec calottes, dite Icehouse, de climat froid.

Les calottes de glace, en stockant de l'eau douce froide et solide en très grande quantité, sont un paramètre essentiel de la régulation de notre climat moderne. Les premiers grands glaciers se sont installés en Antarctique vers 30 Ma. La calotte polaire a ensuite grossi progressivement pour atteindre une épaisseur locale de glace de 2 à 3 km. Les premières calottes arctiques sont beaucoup plus récentes et s'établissent durablement au Quaternaire.

La transformation climatique globale du Cénozoïque est intimement liée à autre révolution essentielle dans l'histoire de notre planète, celle qui a concerné la circulation océanique générale. A partir d'environ 50 Ma, la température des eaux océaniques profondes a chuté progressivement de 14-15°C pour atteindre 2°C de nos jours. Ce phénomène traduit un refroidissement global de l'ensemble de la masse océanique, accompagnant le refroidissement global du climat et témoigne de la mise en route de la circulation océanique moderne.

Celle-ci se caractérise par un long cycle, d'une durée de 2000 ans, qui transfère vers les pôles les eaux superficielles chaudes des régions équatoriales, où elles sont refroidies au voisinage des glaces polaires, et plongent vers les profondeurs océaniques.Cette circulation dite thermohaline fonctionne grâce aux différences de température et de salinité des masses d'eau océaniques.

Son établissement progressif depuis 50 Ma est remarquablement mis en évidence par la compilation des compositions isotopiques (isotopes de l'oxygène) de microfossiles préservés dans les couches de sédiments prélevés par des centaines de forages à travers tous les océans. La courbe ainsi obtenue, qui présente des accidents remarquables, peut-être lue comme une courbe des paléotempératures des eaux de fond océaniques. C'est un enregistrement fidèle, au premier ordre, des grands évènements climatiques de la Terre durant le Cénozoïque.

Les ajustement physiographiques par la tectonique des plaques

La tectonique globale, qui régit la position relative des continents, et ouvre ou ferme les seuils océaniques, est un acteur incontournable de notre évolution climatique. Ainsi, la mise en route de la circulation thermohaline, qui suppose un brassage global des océans, n'est intervenue qu'à la suite de l'interconnection des 3 océans Pacifique, Atlantique et Indien.

Cette interconnection ne fut possible que grâce à l'ouverture de deux passages océaniques : le passage de Drake qui sépare l'Antarctique de la Patagonie, et le passage qui sépare l'Antarctique de la Tasmanie. Par ces deux seuils circule le courant circumpolaire Antarctique, qui, poussé par les vents d'ouest, active les eaux jusqu'aux plus grandes profondeurs.

Ce courant est un acteur majeur du système climatique actuel car il isole thermiquement l'Antarctique et empêche les eaux chaudes de surface en provenance de l'Equateur de venir lécher les côtes de ce continent, comme c'était le cas dans la configuration Greenhouse. Il joue également le rôle d'aspirateur d'eaux profondes provenant de l'Atlantique nord. Il s'agit donc d'un activateur essentiel de la circulation thermohaline.

On peut s'attendre à ce que toute modification topographique importante de la forme des seuils océaniques péri-Antarctique ait un effet sur la force du courant circumpolaire Antarctique. Et en conséquence, on peut s'attendre à ce que des modifications de la circulation thermohaline entraînent des modifications climatiques.

C'est cette relation entre tectonique et climat que les auteurs ont exploré dans cette publication. Ils ont pu dater la formation et l'évolution du passage de Drake et du passage Tasmanie-Antarctique par des études géologiques et paléomagnétiques. Ainsi, à partir de 50-40 Ma, la subsidence (abaissement) des seuils continentaux a rendu possible la mise en route d'une proto-circulation circumpolaire Antarctique, ce qui coïncide avec les enregistrements isotopiques montrant le début du refroidissement global dès cette époque. Puis sur chaque seuil, des dorsales océaniques ont fonctionné après la distension continentale, ouvrant franchement le passage Tasmanie-Antarctique à partir de 34 Ma, puis le Passage de Drake à partir de 29 Ma.

L'évolution de l'enregistrement isotopique depuis 50 Ma n'est pas régulière. La courbe des isotopes de l'oxygène montre ainsi des accidents, non encore expliqués. Deux pics nets sont visibles vers 26 et 15 Ma et correspondent à des retours vers des conditions plus chaudes. Ils encadrent une période de 11 Ma dont les valeurs isotopiques de l'oxygène sont basses indiquant un réchauffement assez net des eaux de fond océaniques.

Durant cette même période, entre 26 et 15 Ma, des événements tectoniques décisifs se sont produits en Patagonie et en Terre de Feu, affectant donc la physiographie du passage de Drake. Avant 22 Ma (limite Oligo-Miocene) la Terre de Feu n'existait pas. A sa place un sillon marin permettait la circulation des eaux froides du proto-courant circumpolaire Antarctique. Un changement dans l'organisation des frontières de plaques a induit la compression de cette région, se traduisant par la surrection de la Terre de Feu.

Ce même événement tectonique a conduit également au soulèvement de la bordure nord de l'actuelle mer de Scotia, transformant une vaste région de fosses profondes en une série de haut-fonds (Ride nord Scotia).

En Patagonie, à la même période, on assiste à l'édification de la Cordillère andine. La surrection de la chaîne se marque vers 20 Ma par la disparition de la mer, chassée de ces régions par la surrection de l'avant-pays, où la sédimentation devient continentale. L'anomalie climatique observé entre 26 et 15 Ma coïncide donc avec la constriction (le resserrement) du passage de Drake.

Les auteurs examinent les effets d'une telle constriction sur la circulation océanique globale et envisagent une diminution de l'efficacité du courant circumpolaire Antarctique, entrainant à son tour un ralentissement de la circulation thermohaline se traduisant par un réchauffement des eaux de fond océanique, bien visible sur l'enregistrement isotopique.

Des corrélations entre les deux hémisphères

La correspondance soulignée dans l'article n'est que temporelle et à ce stade des connaissances, les liens de causalité entre géodynamique de seuils et intensité du courant circumpolaire Antarctique ne peuvent être démontrées formellement. Mais d'autres coïncidences remarquables étayent l'hypothèse d'un forçage majeur de la tectonique (géodynamique) sur le climat du Cénozoïque.

Ainsi on a remarqué très récemment une correspondance entre les périodes d'abaissement et de surrection du seuil de l'Islande, à 34 Ma et 26 Ma respectivement, et deux accidents de la courbe isotopique de l'oxygène. Les mouvements verticaux de la lithosphère dus à l'activité du Point chaud de l'Islande auraient favorisé respectivement l'introduction puis la rétention des eaux froides atlantiques polaires dans la circulation thermohaline.

Le premier événement, à 34 Ma, coïncide avec l'ouverture des passages de l'hémisphère sud et donc avec la mise en route du courant circumpolaire Antarctique. Le second vers 26 Ma coïncide avec la constriction du Passage de Drake. Il est possible donc que les effets des fluctuations du passage de Drake aient pu être amplifiées à distance de façon totalement indépendante.

Les auteurs (Lagabrielle et coll.) concluent que des évènements géodynamiques non liés, affectant les deux hémisphères nord et sud de façon synchrone, pourraient avoir conjugué leurs effets pour expliquer quelques très grandes étapes de l'évolution du climat global du Cénozoïque. Pour confirmer cette hypothèse, il faut maintenant compiler avec plus de précision les datations des événements géodynamiques mondiaux d'un côté et les variations des indicateurs paléoclimatiques de l'autre, pour en sortir des corrélations significatives et pour tenter d'établir des liens de causalité. La modélisation numérique des climats sera essentielle dans cette démarche.