Méthodes en Géosciences UE 112 CM 2024-2025 PDF

UE 112 Méthodes en Géosciences CM - 2024-2025 Vincent HUAULT Présentation de l’UE 112 « Méthodes en Géosciences » La Terre est une planète très particulière : - histoire longue et complexe - développement de la vie - émergence de l'humani...

UE 112 Méthodes en Géosciences CM - 2024-2025 Vincent HUAULT Présentation de l’UE 112 « Méthodes en Géosciences » La Terre est une planète très particulière : - histoire longue et complexe - développement de la vie - émergence de l'humanité. Elle est irremplaçable parce qu'elle est à la fois le cadre et le support de toutes les activités humaines auxquelles elle fournit l'essentiel de ses ressources et de son énergie (en dehors de l'énergie apportée par le Soleil), mais aussi et surtout les moyens de sa subsistance. Cette richesse s'accompagne toutefois de risques qu'il faut savoir identifier et gérer pour préparer l'avenir. La géologie, à travers ses multiples disciplines, propose un éventail de méthodes directement appliquées à ces enjeux, moyennant le respect indispensable d’une certaine éthique. Présentation UE Présentation de l’UE 112 « Méthodes en Géosciences » Cette UE comprend 3 grandes parties : 1. Reconstituer le passé pour modéliser le futur : Sédimentologie, stratigraphie, paléontologie : Vincent Huault (2H CM ; 2H TP) Modélisation (numérique, analogique) : Pierre Bouilhol et Laurence Mansuy-Huault (2H CM ; 2H TP) 2. Connaître et préserver les ressources pour préparer l'avenir : Ressources minérales et énergétiques : Antonin Richard (2H CM ; 2H TP) Eau, environnement, pédologie : Alexis De Junet (2H CM ; 2H TP) 3. Connaître notre planète pour savoir gérer les risques : Comprendre le fonctionnement des volcans : Camille Cartier et Lydéric France (2H CM ; 2H TP) Aléas et risques sédimentaires : Aude Hummel (2H CM ; 2H TP) Tectonique, séismes, volcanisme et tsunamis : Cécile Fabre (2H CM ; 2H TP) Présentation UE Présentation de l’UE 112 « Méthodes en Géosciences » Quelques exemples d’interactions… en L1 : UE Personnalisation Présentation UE Présentation de l’UE 112 « Méthodes en Géosciences » Quelques exemples d’interactions… en L2 : UE Personnalisation Etc… pendant tout votre cursus ! Présentation UE UE 112 Partie 1. Reconstituer le passé pour modéliser le futur Les illustrations des mondes disparus : une histoire riche et déjà ancienne. Plan Partie 1. Reconstituer le passé pour modéliser le futur Origine de cette curiosité pour le passé de la Terre ? Quels objectifs ? Quelle utilité ? - Objectifs très utilitaires d’amélioration de l’exploitation des ressources (charbon par exemple). Bassin houiller de Graissessac Field Museum - Connaissance de l’histoire de la Terre. - Lien avec la mesure des temps géologiques. § 1. Partie 1. Reconstituer le passé pour modéliser le futur L’histoire de la Terre est jalonnée d’évènements remarquables et/ou brutaux, dont certains ont menacé la pérennité de la vie sur Terre à plusieurs reprises (« grandes crises »). Esteban De Armas/Shutterstock La découverte de ces évènements et leur description est à l’origine du découpage des temps géologiques en grande séquences (échelle des temps géologiques) dès le XIXe Les 27 étages de d’Orbigny (vers 1850) siècle.. § 1. Partie 1. Reconstituer le passé pour modéliser le futur Quels moyens, quels outils ? Tout ce qui est lié aux modalités de formation des diverses archives géologiques est porteur d’informations : - Roches de tous types (sédimentaires, volcaniques…) V. Huault - Restes ou traces de vie ancienne (fossiles) V. Huault - Fluides emprisonnés dans les roches ou les glaces (inclusions gazeuses ou liquides) § 1. Partie 1. Reconstituer le passé pour modéliser le futur Du passé au futur… quel rapport ? GIEC Un modèle climatique n’est qu’un code informatique, sa validité doit être vérifiée. Avant de faire travailler un modèle sur le futur, on le teste sur le passé : le modèle doit être capable de reproduire les évolutions documentées par les archives géologiques. La connaissance du passé est donc indispensable à la modélisation du futur. § 1.  1. Reconstituer le passé pour modéliser le futur 1.1. Histoire des reconstitutions Aquarelle réalisée en 1830 par Henry de la Beche à partir des fossiles trouvés dans le Dorset par Mary Anning. Il s’agit de la première tentative de reconstitution d’une scène des temps géologiques à partir de données géologiques. § 1.1. Restituer l’aspect des paysages du passé et de leurs habitants est un exercice difficile. Pour y parvenir, il faut disposer de données scientifiques en quantité suffisante… mais aussi d’une part d’imagination qui ne doit pas nuire à l’exactitude scientifique, mais seulement compléter les manques de données. La Terre avant le déluge. Louis Figuier, 1863 (dessin Riou) § 1.1. Les premières reconstitutions apparaissent dans les ouvrages du XIXe siècle sous la forme de gravures. Elles résultent du progrès des connaissances de la géologie en Europe (notamment grâce à des découvertes comme celles de Mary Anning en Grande-Bretagne). Mais elles restent fortement marquées par les mythes (dragons en particulier)… Croquis réalisé par M. Anning en 1826 pour présenter le plésiosaure qu’elle a découvert en 1821 à Lyme Regis. The wonders of geology. Gideon Mantel, 1839 Gravure de John Martin § 1.1. https://static.wikia.nocookie.net … et elles sont influencées par des comparaisons avec le monde moderne. Megalosaurus https://www.jaitoutcompris.com/img/encyclo/dragon-komodo-123rf.jpg Les fameuses reconstitutions de Crystal Palace Park Crystal Palace Park Trust Parc du Crystal Palace (1854) : premières tentatives de reconstitution à partir des restes fossiles (souvent incomplets) et des connaissances du moment. Forte influence des formes actuelles sur l’interprétation des formes anciennes. § 1.1. La qualité des reconstitutions s’améliore avec les progrès de la paléontologie. Des séries de tableaux montrant les relations entre animaux et végétaux à des époques successives apparaissent alors, préparant les futures reconstitutions paléoenvironnementales. Illustrations tirées de l’ouvrage « Die Urwelt in ihren verschiedenen Bildungsperioden » de Franz Unger, 1851 & 1858. Lithographies de Josef Kuwasseg § 1.1. La qualité des reconstitutions s’améliore avec les progrès de la paléontologie. Des séries de tableaux montrant les relations entre animaux et végétaux à des époques successives apparaissent alors, préparant les futures reconstitutions paléoenvironnementales. Illustrations moderne de Spinosaures en train de chasser (auteur : Davide Bonadonna) http://dontmesswithdinosaurs.com/wp-content/uploads/spinosaurus-nat-geo.jpg § 1.1. 1.2. Lien entre passé, actuel et futur Comme nous venons de le voir, la reconstitution des mondes anciens demande : - Des informations données par différents enregistrements (on utilise souvent le terme anglais de « proxy ») dans les couches géologiques. - Des comparaisons avec les phénomènes ou les comportements actuels pour compléter ce qui n’est pas accessible via les proxies géologiques. Cette démarche qui consiste à s’appuyer sur l’actuel pour interpréter le passé est connue sous plusieurs noms (principe des causes actuelles, actualisme, uniformitarisme…) Elle a été énoncée dès le XVIIIe siècle par James Hutton et reprise ensuite par Lyell. Ce principe a été résumé en 1905 par A. Geikie dans une formule restée célèbre : « le présent est la clé du passé ». James Hutton (1726-1797) § 1.2.  Les illustrations du principe d’actualisme sont nombreuses : exemple de l’ambre Image : Shûhei Yamamoto Fossiles de fourmis dans un fragment d’ambre du Crétacé (environ 100 Ma) Fourmi prise dans un écoulement de Images : Vincent Huault résine sur un tronc de pin actuel. § 1.2. Comme tous les principes, l’actualisme doit être appliqué avec discernement : Evolution de la durée du jour terrestre au cours des temps géologiques (A.I. Arbab, Progress in Physics, 2009) Evolution de la durée du jour terrestre au cours des temps géologiques Et il y a de quoi être prudent !!! Cet (David Nowell, exemple Geology Today,sera 2006)examiné en détail en TP. § 1.2.  1.2. Lien entre passé, actuel et futur Exemples de modélisations de l’évolution des températures s’appuyant sur le passé pour prévoir le futur : Modélisation (courbe grise) établie à Modélisation modifiée pour tenir partir des facteurs naturels uniquement. compte des facteurs anthropiques. Une modélisation fiable ne doit donc pas passer à côté de paramètres essentiels ! D’où la nécessité de s’appuyer sur des observations rigoureuses… § 1.2. 2. L’observation des sédiments Les sédiments sont issus de processus naturels qui se déroulent à la surface du globe, sous le contrôle de multiples paramètres naturels : Les informations fournies par l’observation des sédiments relèvent en particulier : - De l’origine des éléments qui le constituent, - De ce qui se passe lors du transport de ces éléments - De ce qui se passe pendant leur dépôt - De ce qui se passe après leur dépôt (bioturbation, diagenèse, deformations…) Vincent Huault Plan 2.1. Eléments constitutifs Les roches sédimentaires sont composées d’éléments dont certains sont facilement reconnaissables. Il s’agit en particulier : - de différents types de grains (minéraux, fragments de fossiles, fragments de roches…) ou d’espèces chimiques dont le detail sera vu dans l’UE 212 “Introduction à la pétrologie” - d’un “liant” ou “phase de liaison” V. Huault V. Huault § 2.1. 2.2. Modalités de dépôts Ici aussi, l’utilisation du principe d’actualisme est essentielle : - Exemples de rides actuelles et fossiles Plage actuelle (Baie de Saint-Brieuc) Photo : V. Huault Plage fossile (-240 Ma, Kings Canyon, Australie) Photo : V. Huault § 2.2. 2.2. Modalités de dépôts Ici aussi, l’utilisation du principe d’actualisme est essentielle : - Exemples de fentes de dessication (mud cracks) actuelles et fossiles Fentes de dessication fossiles (Grande Bretagne) Vincent Huault Fentes de dessication actuelle sur le sol boueux d’une carrière § 1.2. 2.3. Quelles informations ? Les informations recueillies sur les conditions de formation des roches sédimentaires permettent de reconstituer leurs milieux de dépôt. Un exemple actuel : les Bahamas Des sédiments constitués d’éléments particuliers : les ooïdes. http://www.webandluxe.com/wp-content/uploads/2009/12/bahamas.jpg Joulter Cay, Bahamas; Fotograf: Wilson http://www.mineralienatlas.de/ § 2.3. Un exemple anciens proche des Bahamas : la carrière de Bicqueley (54) : § 2.3. Les informations recueillies sur les conditions de formation des roches sédimentaires permettent de reconstituer leurs milieux de dépôt. Et de construire des modèles sédimentaires. Exemple de modèle sédimentaire sous la forme d’un bloc diagramme : Pléistocène de Chypre Palamakumbura et Robertson, Sedimentary Geology, 2016 § 2.3. Progrès dans les méthodes d’acquisition des données : Données de sub-surface issues de divers procédés : Sismique Diagraphies Serra, 1979 3. L’observation des fossiles Plan  3.1. Qu’est-ce qu’un fossile ? Un fossile est une trace de vie ancienne… - Restes d’organismes des 6 règnes actuellement reconnus : Modifié d’après L. Margulis 1996 Ichnofossiles - Traces d’activités biologiques : Déplacement Terrier/nutrition § 3.1. Photso : V. Huault Exemple d’ichnofossiles : pistes de dinosaures enregistrées sur une plage fossile (glacier d’Emosson, à la frontière franco-suisse) § 3.1. La science consacrée à l’étude des fossiles est la paléontologie. La qualité et la quantité d’informations recueillies par la paléontologie dépendent directement de l’état de préservation des fossiles… Cet état est très variable suivant les conditions de fossilisation. Exemple des crinoïdes (échinodermes actuels et fossiles) : http://alogicadosabino.files http://christian.nicollet.free.fr/page/divers/entroques.jpg http://upload.wikimedia.org http://www.ulb.ac.be/scien ces § 3.1. 3.2. Comment reconstituer la vie ancienne ? Field Museum, Chicago Plan La Sarigue (opossum) de Cuvier et l’importance de l’anatomie comparée. Le fossile Son illustration La reconstitution Un exercice exigeant de la rigueur scientifique… Un crâne… Une interprétation La réalité ! complotiste… https://preview.redd.it/sr09vrvw6f471.jpg?auto=webp&s=4b2d559058aa3c07903af70cb4ee992e6ffdc2d2 § 3.2. L’anatomie comparée joue un rôle fondamental dans les reconstitutions des vertébrés et des de paysages qui se popularisent au XIXe siècle. Cuvier fait dessiner les premières reconstitutions de squelettes au début du siècle, puis les premières silhouettes de vertébrés fossiles dans les années 1820. Reconstitution du squelette de "Paleotherium" Dessins de Charles Laurillard publiés par dessinée par Charles Laurillard sur les indications Cuvier en 1822, puis repris par de la de Georges Cuvier Beche dans son Geological Manual en 1832 § 3.2.  Reconstitution des organismes à partir de leurs restes fossiles Différentes étapes de la reconstitution d’un mammifère primitif § 3.2.  Exemple de Tyrannosaurus rex Auquel il manque peut-être quelque chose… § 3.2.  Exemple de Tyrannosaurus rex Auquel il manque M. Garlick peut-être quelque chose… M. Garlick § 2.3. 3.3. Progrès dans les méthodes d’acquisition des données : La méthode « D » : Cephalaspis http://paleodico.wifeo.com Nerfs crâniens d’un poisson du Dévonien (environ 400 Ma) (Travaux du paléontologue suédois Erik Stensiö, 1927) § 3.3. Progrès dans les méthodes d’acquisition des données : Coupes sériées brachiopodes versus (micro)tomographie Meulage et dessin manuels Appareil utilisé pour réaliser les coupes sériées de brachiopodes (Y. Alméras, 1965) Coupes sériées d’un brachiopode jurassique du genre Cymatorhynchia (Feldmann et al., American Museum Novitates, 1991) § 3.3. Progrès dans les méthodes d’acquisition des données : Coupes sériées brachiopodes versus (micro)tomographie Meulage manuel et photos numériques Appareil utilisé pour réaliser les coupes sériées de brachiopodes (Y. Alméras, 1965) Modèle 3D d’un brachiopode silurien de l’ordre des Orthida (Sutton et al., Nature, 2005) § 3.3. Progrès dans les méthodes d’acquisition des données : Tomographie et microtomographie : des méthodes non-destructives d’imagerie 3D El Albani 2024 (Science) Reconstitution microtomographique d’un trilobite Protolenus (Hupeolenus). Vues latérale (ci-dessus ; en bleu, le tube digestif) et ventrale, avec détail de la partie céphalique (ci-dessous). § 3.3. Progrès dans les méthodes d’acquisition des données Préservation de la couleur Gastéropode marin du genre Turbo récolté en Aquitaine (30 millions d’année)s. Son état de conservation exceptionnel permet de révéler en lumière ultraviolette une alternance de bandes claires et rouges. (Laurence Godart / DIM PAMIR / CNRS Images) § 3.3.  Progrès dans les méthodes d’acquisition des données Préservation de la couleur Fossile d’un petit dinosaure théropode chinois, Sinosauropteryx. (Nanjing Institute) Chuang Zhao and Lida Xing § 3.3. 3.4. Quelles informations ? Les informations données par les fossiles sont liées à leur mode de vie, connu ou supposé, à leurs conditions transport, puis de dépôt et de préservation dans les sédiments… On peut ainsi remonter à diverses informations sur les milieux de dépôt, sur les paléoclimats ou sur la vie des organismes eux-mêmes. Piste d’agonie d’une limule à la surface d’un banc de calcaire de la carrière de Solnhoffen (Allemagne) Fossilisation en milieu anoxique Plan Exemple de comportement reproductif Jakob Vinther et al. A cloacal opening in a non-avian dinosaur. Current Biology, 2021 § 3.4. Exemple d’associations d’organismes Présence de petits brachiopodes fixés sur la tête de ce trilobite El Albani 2024 (Science) Reconstitution microtomographique d’un trilobite Gigoutella mauretanica. Vue latérale § 3.4. Avec la mise en œuvre d’outils géochimiques, accès à de nouveaux types d’informations : Isotopes stables de différents éléments : - C - O - N - S - H - … Distribution simplifiée des ratios d’isotopes stables du carbone et de l’azote dans la biosphère (adapté d’après Shoeninger et Moore, 1992) Informations sur les paléotempératures, sur les perturbations des grands cycles naturels (crises biologiques par exemple). § 3.4. 4. La stratigraphie une discipline synthétique La stratigraphie (littéralement la description des strates) s’appuie sur la synthèse des informations fournies par l’étude des roches sédimentaires et des fossiles : - Pour reconnaître des ensembles cohérents de strates (des unités stratigraphiques) - Pour établir une chronologie universelle : la charte chronostratigraphique, outil de tous les géologues à travers le monde Les méthodes et résultats de la stratigraphie seront présentés en détail dans l’UE 402 (L2). Plan  La stratigraphie est à la base de la reconstitution des différentes étapes de l’histoire de la Terre. Damborenea et al., 2013. Southern Hemisphere Palaeobiogeography of Triassic-Jurassic Marine Bivalves. Cette histoire sera traitée dans l’UE 411, en L3. § 4.1. Conclusion Les apports de la sédimentologie et de la paléontologie sont essentiels à la reconstitution des états successifs de la Terre. Ces approches sont d’abord basées sur l’observation (approches naturalistes), mais elles utilisent aussi des techniques de pointe qui permettent d’accroître la quantité et la qualité des données recueillies, y compris dans des domaines qui semblaient définitivement inaccessibles à toute reconstitution : - restitution des parties molles (peau, branchies,…), - restitution des couleurs - restitution des comportements - etc… Smith et al., 2024. Organ systems of a Cambrian euarthropod larva (Nature) Les progrès réalisés dans les techniques d’investigation ouvrent d’incroyables perspectives de découverte pour les années à venir. § 4.2.