ANR Astronomical Time Scale for the Cenozoïc and Mesozoïc era

Projet « ASTS-CM » (2007-2012)

(Observatoire de Paris + ISTeP + Biogéosciences/Dijon)

Objet

Contribution à l’établissement d'une échelle des temps géologiques astronomiquement calibrée pour les ères Cénozoïque et Mésozoïque.

Problématique

En raison des perturbations planétaires, l'orbite de la Terre se déforme lentement au cours du temps, et de façon cyclique. Ces changements induisent des variations d'insolation à la surface de la Terre qui affectent le système climatique (théorie de Milankovitch) induisant des variations paléo-environnementales cycliques, enregistrées dans les sédiments. Cette concordance entre les calculs astronomiques et les variations climatiques enregistrées dans les sédiments est maintenant si bien établie, que dans la version 2004 de l'échelle des temps géologiques (GTS2004) toute la période Néogène (0-23 Ma) est astronomiquement calibrée en utilisant la solution astronomique La2004.

Un nouvel effort international a démarré pour étendre cette calibration astronomique aux périodes plus anciennes : le Paléogène (23-65.5 Ma), le Crétacé, le Jurassique. L'extension de la calibration astronomique au Paléogène et au Crétacé supérieur sera possible grâce aux forages ODP récents sur lesquels des enregistrements à très haute résolution sont disponibles et feront l’objet d’études cyclostratigraphiques détaillées pour y rechercher l’empreinte des paramètres de l’orbite terrestre : précession, obliquité, excentricité. Pour les périodes plus anciennes, Crétacé inférieur et Jurassique, de telles études cyclostratigraphiques peuvent être entreprises sur des séries à l’affleurement, voire sur des forages continentaux.

Structuration du projet

L’originalité du projet, et son fondement essentiel et indispensable, est qu’il associe des astronomes et des géologues stratigraphes. Le coordinateur principal est J. Laskar (Observatoire de Paris). A cette équipe d’astronomes de l’Observatoire sont associées deux équipes partenaires : une équipe à l’ISTeP animée par Bruno Galbrun et une équipe à Biogéosciences-Dijon.

Objectifs

L’équipe de l’Observatoire de Paris est leader dans la construction des solutions astronomiques sur lesquelles les enregistrements sédimentaires cycliques, déposés sous la dépendance des paramètres orbitaux, sont calibrés. Dans ce cadre un des principaux objectifs du projet ASTS-CM est d’accroître d'un facteur 100 la précision de la solution astronomique de la Terre pour l'Ere Cénozoïque (0 à -65 ma), avec une estimation rigoureuse de sa précision pour l'établissement d'une échelle astronomique du cénozoïque.

Pour contribuer à la calibration astronomique du Mésozoïque, période où il devient beaucoup plus difficile d’établir un modèle astronomique des études cyclostratigraphiques détaillées sur des séries sédimentaires mésozoïques sont menées dans différents bassins, à l’affleurement et sur des données de forages. Les enregistrements obtenus sont essentiellement calibrés sur le paramètre de l’excentricité à 405 ka, seul paramètre orbital démontré stable sur au moins 250 Ma.

Quelques exemples de résultats acquis par l’équipe partenaire de l’UPMC-ISTeP

- Estimation de la durée du magnétochrone C31r à partir de l’analyse cyclostratigraphique du forage ODP 762C (Océan Indien) et de la coupe de la Contessa (Ombrie-Marches, Italie), (extrait de D. Husson, Thèse UPMC, 2010 ; Husson et al., Geological Magazine, 2012).

Ce résultat s’intégrait dans un projet plus vaste de calibration astronomique du Crétacé supérieur et en particulier du dernier étage du Crétacé, le Maastrichtien, et de la limite Crétacé-Paléogène. Une étude comparative a été menée sur deux séries sédimentaires présentant une excellente continuité et un cadre chronostratigraphique parfaitement établi, en particulier un cadre magnétostratigraphique qui permet de reconnaître toute la séquence de polarité magnétique du Crétacé supérieur.

Sur la coupe de référence de La Contessa (Ombrie-Italie)  l’analyse cyclostratigraphique a été menée sur les variations de la susceptibilité magnétique, sur le forage ODP 762C (Océan Indien) cette analyse a été entreprise sur les variations de couleurs des sédiments encodées en niveaux de gris.

L’étude cyclostratigraphique a, dans les deux cas, permis d’identifier la trace des paramètres de l’orbite terrestre.

L’identification et le comptage de ces cycles, en particulier ceux de l’excentricité, permet d’estimer des durées. C’est ainsi que, par exemple, la durée du magnétochrone C31r (Maastrichtien inférieur) a pu être pour la première fois estimée astronomiquement, et que la durée obtenue par cette approche est identique sur les deux sites, 2.09 Ma, ce qui conforte la validité de l’approche.

(Cliquer sur les images pour les agrandir)

 Photo d’une des carottes du forage ODP 762C montrant des cyclicités de couleurs, au Crétacé supérieur, dont l’analyse cyclostratigraphique a permis de les rapporter aux paramètres de l’orbite terrestre, précession, obliquité, excentricité.

 Comparaison entre les résultats obtenus sur la coupe de La Contessa (Ombrie, Italie) et le forage ODP 762C (Océan Indien). Dans les variations de susceptibilité magnétique (coupe de La Contessa) et de couleur des sédiments (site ODP 762) l’excentricité à 100 et 400 ka est clairement identifié et permet d’estimer ainsi avec précision, dans les deux sites, la durée du magnétochrone C31r à 2.09 Ma. (Husson et al., Geol. Mag., 2012).

- Calibration astronomique de l’Oxfordien (Jurassique supérieur) à partir de l’analyse cyclostratigraphique de la formation des Terres Noires du Bassin du Sud-Est de la France et du forage Andra EST342 (Bassin de Paris), (Boulila et al., EPSL, 2008 ; Basin Research, 2010).

Le Jurassique supérieur est l’intervalle le moins bien contraint, en termes de datations et durées, de tous les temps phanérozoïques. Cet intervalle se prête donc particulièrement à l’approche cyclostratigraphique qui permet d’apporter des contraintes temporelles sur les durées des étages et des zones d’ammonites qui les caractérisent.
Une étude cyclostratigraphique a été menée sur la Formation des Terres Noires oxfordiennes du Bassin du Sud-Est de la France, formation épaisse de plus de 700 m. Trois sections, couvrant l’ensemble de la formation, ont été échantillonnées tous les 20 cm pour des mesures de susceptibilité magnétique (SM). L’analyse des variations de SM a montré que cette formation s’était déposé sous contrôle astroclimatique, tous les paramètres orbitaux, précession, obliquité, excentricité à 100 et 400 ka (cycles C1 à C10 sur figure), mais aussi des cycles d’infra-précession comme des super-cycles de modulation de l’excentricité à plus de 2 Ma, ayant été identifiés.

Ce résultat a permis d’estimer très précisément la durée de cette formation des Terres Noires, ainsi que de celles de toutes les zones d’ammonites de l’Oxfordien inférieur et moyen. Ces estimations ont contribué à améliorer notablement la résolution de l’échelle des temps du Jurassique supérieur et ont été intégrés dans la nouvelle version 2012 de l’échelle des temps géologiques.

Enfin, autre résultat intéressant directement les astrophysiciens, est que la période des cycles d’excentricité à long terme, de fréquence séculaire g4–g3 (g3 et g4 sont reliées à la précession des périhélies de la Terre et de Mars, respectivement), est estimée à environ 2 Ma. Cette période est plus courte que celle théoriquement calculée (2.4 Ma) et enregistrée dans les séries sédimentaires cénozoïques. La durée plus faible de cette période au Mésozoïque s’explique par le mouvement chaotique des planètes internes (ici la Terre et Mars) qui se manifeste ainsi dans l’instabilité de leurs fréquences séculaires. Cette observation confirme bien l’hypothèse des astrophysiciens et pourra apporter des contraintes sur les modèles astronomiques.

 La formation des Terres Noires dans le Bassin du Sud-Est de la France est épaisse de plus de 700 m, elle couvre le Callovien supérieur et l’essentiel de l’Oxfordien.

Biostratigraphie et variations de la susceptibilité magnétique (SM) de la Formation des Terres Noires oxfordiennes du Sud-Est de la France. Les cycles C1 à C10 sont interprétés comme des cycles d’excentricité de 405 ka, et les cycles S1 et S2 comme des cycles d’excentricité à long terme d’environ 2 Ma. On observe clairement la tendance à la baisse des valeurs de SM vers le sommet de la série indiquant l’enrichissement progressif en carbonates, et traduisant le réchauffement climatique global dans la zone d’ammonites à Transversarium (Boulila et al., Basin Research, 2010).

- Cyclicités de 9 Ma dans le cycle global du carbone (Boulila et al., EPSL, 2012).

Il a été mis en évidence des cycles à très long terme aussi bien dans la solution astronomique que dans l’enregistrement sédimentaire. En particulier, une cyclicité prononcée de 9 Ma a été mise en évidence dans le cycle global du carbone au Cénozoïque (les derniers 65 Ma) et a été corrélée aux variations d’excentricité de l’orbite terrestre. Cette étude a initié plusieurs études dans le monde qui considèrent maintenant le rôle important des variations astronomiques sur les évolutions climatiques et du cycle du carbone à très long terme (Boulila et al., EPSL, 2012).

Modulation de l’amplitude de l’excentricité selon les modèles astronomiques La2004 (courbe pleine) et La2010d (courbe pointillée), et corrélations avec les cycles de 9 Ma dans l’enregistrement du δ13C au Cénozoïque. Courbe 1 : Modulation d’amplitude de la courte excentricité, Courbe 2 : modulation d’amplitude inversée de l’excentricité de 400 ka, Courbe 3 : modulation d’amplitude de l’excentricité de 2.4 Ma, Courbe 4 : variations brutes du δ13C (compilation de Zachos et al., 2001, 2008 et données filtrées mettant en évidence les cycles Cb1 à Cb8, Courbe 5 : variations brutes du δ13C (compilation de Cramer et al., 2009. Les représentent les limites des cycles Cb3, Cb4 et Cb7 les mieux corrélés avec leurs équivalents astronomiques (modifié d’après Boulila et al., 2012).