Cyclostratigraphie - Définition et Explications

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Introduction

La cyclostratigraphie est une méthode particulière de stratigraphie, discipline des sciences de la Terre qui étudie la succession des différentes couches géologiques ou strates. Il s'agit d'une discipline intégrée qui exploite des résultats issus notamment de l'astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs propriétés physiques et chimiques....), de la climatologie et des techniques mathématiques (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide de raisonnements logiques sur des concepts tels que les nombres, les figures, les structures et les transformations. Les...).

La cyclostratigraphie (La cyclostratigraphie est une méthode particulière de stratigraphie, discipline des sciences de la Terre qui étudie la succession des différentes couches géologiques ou strates. Il s'agit d'une discipline...) s'appuie sur la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée...) astronomique des paléoclimats qui stipule (En botanique, les stipules sont des pièces foliaires, au nombre de deux, en forme de feuilles réduites située de part et d'autre du pétiole, à sa base, au point d'insertion sur la tige.) que les variations climatiques sont liées à des processus astronomiques cycliques, largement prédictibles. Elle permet d'analyser les cycles sédimentaires — et tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) particulièrement les cycles « climatiques » que sont la précession (La précession est le nom donné au changement graduel d'orientation de l'axe de rotation d'un objet ou, de façon plus générale, d'un vecteur sous l'action de...), l'obliquité et l'excentricité (Cet article décrit l'excentricité en mathématiques et en psychologie.) — au travers d'indicateurs climatiques échantillonnés dans les dépôts sédimentaires. L'objectif principal de la cyclostratigraphie est l'estimation de durées, ce qui est d'autant plus difficile que les terrains étudiés sont anciens et altérés. L'étude des séries récentes du Quaternaire a permis les premiers résultats, mais les temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) anté-quaternaires sont désormais étudiés avec succès, avec la possibilité d'affiner l'échelle des temps géologiques et de faire des interprétations paléoclimatiques.

Si la cyclostratigraphie en tant que méthodologie et applications est une branche récente de la stratigraphie, ses fondements théoriques remontent aux débuts du XIXe siècle. Très tôt s'est posée la question de l'origine des apparentes cyclicités sédimentaires observées à l'affleurement. Les cycles de courtes périodes pouvaient être rattachés à des phénomènes classiques en sciences de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus...), tels les oscillations tidales ou l'alternance des saisons mais, d'une part cette relation n'était pas triviale, d'autre part les cycles de plus longues périodes devaient de fait résulter d'un paramétrage (En mathématiques, le paramétrage est un des procédés fondamentaux de définition des courbes, surfaces, et plus généralement des variétés.) d'un genre différent et inconnu. Rapidement, les variations climatiques sont reliées aux cycles sédimentaires, mais les preuves manquent. Par ailleurs, la question de l'origine de la variabilité climatique restait ouverte : pourquoi et dans quelle proportion le climat (Le climat correspond à la distribution statistique des conditions atmosphériques dans une région donnée pendant une période de temps donnée. Il se distingue de la météorologie...) général de la Terre évolue-t-il ? Ces variations sont-elles cycliques et, si oui, dans quelle mesure affectent-elles la sédimentation ?

Les cyclicités recherchées

Le processus de sédimentation est pluriel, mais il présente des caractéristiques générales exploitées par les différentes approches de la stratigraphie. Quel que soit le mode de sédimentation (continentale, marine ou lacustre), l'énergie solaire (L'énergie solaire est l'énergie que dispense le soleil par son rayonnement, directement ou de manière diffuse à travers l'atmosphère. Sur Terre, l'énergie solaire est...) et la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) conditionnent la mise en place de la pellicule de sédiments qui subira des actions diagénétiques variables et deviendra une roche (La roche, du latin populaire rocca, désigne tout matériau constitutif de l'écorce terrestre. Tout matériau entrant dans la...) sédimentaire parmi d'autres. Les altérations internes peuvent détruire ou au contraire souligner des particularités héritées dans la lithologie. Ces particularités reflètent entre autres les conditions externes de mise en place de la roche. La cyclostratigraphie se propose d'étendre le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de la lithostratigraphie, basée sur des corrélations de faciès lithologiques, en analysant et quantifiant des cycles au sein de ces faciès.

Le fait de retrouver des variations cycliques dans les séries sédimentaires est l'indice d'un forçage quelconque du processus de sédimentation par des changements environnementaux, mais il faut alors déterminer quel genre de cyclicité peut avoir exercé une influence majeure sur l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement...) de dépôt. Certains processus sont caractérisés par des autocycles, ie. des variations régulières propres au mode sédimentaire (internes, endogènes). Les cyclicités relevant d'un forçage externe sont qualifiées en opposition d'allocyclicités. Elles mettent en jeu un phénomène exogène dont le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps par les hommes pour...) sera plus ou moins déformé, atténué ou amplifié par le mode de dépôt. Les travaux les plus récents tendent à montrer que cette distinction, quoique pertinente, est peut-être simplificatrice : en effet, les processus cycliques « internes » ou « externes » interviennent conjointement.

Une fois que le caractère cyclique d'un enregistrement sédimentaire a été mis en évidence par des analyses chimico-physiques, l'enjeu est double : il faut déterminer si un phénomène externe (allocyclicité) a réellement influencé la sédimentation, au point (Graphie) qu'il devienne un trait dominant de la lithologie ; puis, il faut déterminer la nature de ce phénomène. Il est également nécessaire de vérifier que l'enregistrement sédimentaire est significatif en termes de durées, c'est-à-dire que le dépôt est continu et non altéré diagénétiquement. Pour apporter une réponse à ces questions, la cyclostratigraphie peut chercher à vérifier l'existence et la nature d'une corrélation entre les cycles sédimentaires d'une part et les cycles climatiques d'autre part, ce qui constitue une double réponse (l'existence d'une corrélation étant tributaire de la continuité (En mathématiques, la continuité est une propriété topologique d'une fonction. En première approche, une fonction est continue si, à des...) et de l'homogénéité de la série sédimentaire).

Cycles climatiques

Le climat est paramétré en grande partie par l'insolation, c'est-à-dire par la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de...) d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) reçue du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une...). La variation de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle...) entre le jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par...) et la nuit constitue un exemple frappant de l'influence de l'énergie solaire sur le climat terrestre, à court terme cependant. La source radiative solaire est considérée de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) constante, mais le positionnement (On peut définir le positionnement comme un choix stratégique qui cherche à donner à une offre (produit, marque ou enseigne) une position crédible, différente et attractive au sein...) de la Terre par rapport au Soleil varie selon plusieurs facteurs périodiques. L'insolation est donc affectée de cycles, essentiellement en raison de trois paramètres orbitaux.

Excentricité

Elle quantifie l'écart à une orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) circulaire. Dans le cas de la Terre, l'orbite de révolution autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter,...) du Soleil varie entre un quasi-cercle (excentricité de 0,005) et une ellipse moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de...) (excentricité de 0.058), du fait des interactions gravitationnelles avec les autres corps célestes du système solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le Soleil et des corps célestes ou objets définis gravitant autour de lui (autrement dit, notre système...) --- principalement les planètes géantes Jupiter et Saturne. La valeur actuelle de l'excentricité est e = 0,017. Elle permet de calculer les distances Terre-Soleil à l'aphélie (L'aphélie est le point de l'orbite d'un objet (planète, comète, etc.) où il est le plus éloigné de l' étoile, autour duquel il tourne.) (distance maximale) et à la périhélie (Le périhélie est le point de l'orbite d'un corps céleste (planète, comète, etc.) qui est le plus rapproché du Soleil (grec : helios) autour duquel il tourne.) (distance minimale) selon les formules d = a(1 + e) et d = a(1 − e) respectivement, où a est la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet...) du demi-grand axe de l'orbite (un invariant déduit de la période orbitale (En astronomie, la période orbitale désigne la durée mise par un astre (étoile, planète, astéroïde) pour effectuer une orbite complète. Par exemple, la Terre a une période orbitale de 365,25 jours.) par la troisième loi de Kepler) et e l'excentricité.

La variation de distance entre périhélie et aphélie suit une période principale de 400 000 ans environ, et une secondaire de 100 000 ans environ. On montre par ailleurs que, pour une excentricité donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un événement, etc.), la différence d'énergie radiative reçue du Soleil par la Terre entre ces deux positions est égale à quatre fois l'excentricité du moment. Actuellement, cet écart vaut donc environ 6,8% pour une excentricité de 0.0167. Couplée aux variations de vitesses lors de la révolution (d'après la seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du...) loi de Kepler), elle peut avoir une incidence la durée théorique des saisons, mais son principal effet est de moduler l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) de la précession.

Obliquité

Elle quantifie l'écart de l'axe de rotation à la normale du plan orbital d'un corps céleste. Pour la Terre, dont le plan orbital est celui de l'écliptique (L'écliptique est le grand cercle sur la sphère céleste représentant la trajectoire annuelle du soleil vue de la Terre. Plus précisement, il s'agit de l'intersection de la sphère céleste avec le plan écliptique, qui est le...), il s'agit de l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) formé par l'axe de rotation et un axe perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en formant un angle droit. Le terme de perpendiculaire vient du latin per-pendiculum (fil à plomb) et justifie la généralisation de la...) au plan de l'écliptique. L'obliquité actuelle est proche de ⍵ = 23°27', les bornes étant fixées autour de 22° à 25° selon une cyclicité de 41 000 ans environ. Ce paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) est celui qui influence en priorité les saisons : lorsque l'obliquité est élevée, les différences climatiques entre été et hiver (L'hiver est une des quatre saisons des zones tempérées.) sont fortes, les effets étant plus marqués aux latitudes élevées.

Précession

Le phénomène d'obliquité est couplé à la rotation de la Terre et induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité...) une précession, qui correspond à la révolution de l'axe de rotation incliné (obliquité) autour de la normale au plan orbital. Une toupie ( Une toupie est un jouet destiné à tourner sur lui-même le plus longtemps possible, en équilibre sur sa pointe. On appelle également toupie le...) en fin de rotation possède un mouvement similaire, sans la composante rotationnelle (précession pure). Il en résulte une variation cyclique de l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) de l'axe de rotation par rapport au Soleil : si on pose pour simplifier que l'écart angulaire à la verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le fil à plomb.) est toujours égal une valeur d'obliquité constante, la direction de cet angle constant dans l'espace varie. Dans les faits, les périodes d'obliquité et de précession sont trop proches pour prendre une obliquité constante. Par ailleurs, la précession terrestre est doublement paramétrée. Du fait de sa rotation propre, la Terre n'est pas une sphère (En mathématiques, et plus précisément en géométrie euclidienne, une sphère est une surface constituée de tous les points...) parfaite mais connaît un renflement équatorial. Sous l'influence des forces de marée (La marée est le mouvement montant (flux ou flot) puis descendant (reflux ou jusant) des eaux des mers et des océans causé par l'effet conjugué des forces de gravitation de la Lune et du Soleil.) produites par le Soleil et la Lune (La Lune est l'unique satellite naturel de la Terre et le cinquième plus grand satellite du système solaire avec un diamètre de 3 474 km. La distance...) principalement, cet excès de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la masse...) tend à revenir au plan de l'écliptique, c'est-à-dire qu'il joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et fermer la...) contre l'obliquité. Ce phénomène induit une seconde précession, dite orbitale ou lunisolaire, qui s'ajoute à la précession propre de la Terre. Comme la précession orbitale se fait dans le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du...) contraire de la rotation gyroscopique de la Terre sur son axe, le cycle complet a une période moyenne d'environ 21 700 ans, décomposée en deux cyclicités principales de 19 000 et 23 000 ans.

Autres cycles

Les variations du climat sont pour partie seulement tributaires des « cycles climatiques », qui sont des déterminants orbitaux exogènes. On se souviendra notamment que les développements théoriques ont souligné le rôle de rétroactions au sein du système Terre. Si l'énergie reçue de l'espace — et du Soleil en particulier — « au sommet de l'atmosphère » est bien connue, celle reçue en surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière...) des océans (Océans stylisé Ωcéans est un documentaire français réalisé par Jacques Perrin et Jacques Cluzaud dont le tournage a...) et des continents — c'est-à-dire en dessous de l'atmoshpère dense — dépend de nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de phénomènes internes. Le bilan énergétique est par conséquent dépendant du paramétrage climatique propre à la Terre. Concernant les paramètres internes, les variations dans l'efficacité de la réflection, par déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la...) et croissance des surfaces à fort albédo (L'albédo est le rapport de l'énergie solaire réfléchie par une surface sur l'énergie solaire incidente. On utilise une échelle graduée de 0 à 1, avec 0 correspondant au noir, pour un corps avec aucune réflexion, et 1 au miroir parfait,...), le développement de la couverture nuageuse, les modifications dans l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) des courants marins et aériens ou encore le déplacement relatif des zones sèches et humides influencent le climat, « pré-paramétré » à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une...) par les variants orbitaux.

La cyclostratigraphie ne se limite donc pas à la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...) des cycles de Milankovitch, les cycles climatiques purs. D'autres phénomènes susceptibles d'engendrer des oscillations périodiques enregistrées dans les roches sédimentaires peuvent être étudiés par les mêmes méthodes. Il existe des cycles de longues périodes — par exemple les alternances entre périodes glaciaires et interglaciaires, les variations eustatiques, certains aspects de la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) tectonique… — et de très nombreux cycles de plus courtes périodes — oscillations quotidiennes du niveau marin déterminées par le système Terre-Lune (marées), alternances de varves dans les dépôts fluviatiles, etc. L'importance des cycles climatiques est liée à ce qu'ils ont donné corps à la méthode et qu'ils sont souvent les mieux enregistrés sur des affleurements de grande puissance, mais il faut garder à l'esprit que la cyclostratigraphie est applicable à tout type de cyclicité.

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