ENVI-F-401:Sciences de la Terre et de l!atmosphère

- Géologie Environnementale

Cours GEOL-F-401

• Prof. D. Weis - N. Mattielli:nmattiel@ulb.ac.be

Tél.: 02/650 4714

Bureau: Campus Solbosch,

Bâtiment D, 5e niveau, local DB5.135

• Notes + power point: uv.ulb.ac.be

Géologie Environnementale -Définition

• Environnement: Caractères d!un milieu considéré parrapport à un organisme ou un groupe d!organismesdéterminés. Relations dynamiques entre le(s) organisme(s)et le milieu qui l!entoure.

• Géologie: Etude de la Terre

• Géologie environnementale: géologie en relationdirecte avec les activités humaines

Lignes directrices du coursLa structure physique et la composition chimique de la Terre

affectent la Vie de multiples manières• Le Système Terre:

– La Terre est unique– La Terre est un système fermé– La Terre est formé de systèmes ouverts dynamiques et interconnectés– La Terre est gouvernée par des processus cycliques - échelle de temps

• La Dynamique de la Terre– La Terre dans le système solaire– La structure interne de la Terre– La composition chimique de la Terre

• Risques naturels– Tremblements de terre, volcanisme, tsunamis, éboulements, …

• Ressources de la Terre– Les ressources naturelles sont limitées

• Risques liés à notre société– Conséquences directes des extractions des ressources minérales et

énergétiques– Conséquences indirectes - les changements climatiques

Géologie Environnementale -

Principes

Les processus géologiques et humains opèrent àdes échelles (de temps) différentes

• Principe d’Uniformitarisme: Les lois régissant les

phénomènes géologiques actuels étaient également

valables dans le passé

– Géologie: le présent est la clef du passé

– Géologie Environnementale: le présent est le clef du futur

• >< Principe de Catastrophisme: certains évènements

du passé ne s’expliqueraient que par des phénomènes

particuliers souvent violents (ex: impacts météoritiques)

Uniformitarisme: “Le présent est la clé du passé”

“Le présent est la clé du futur”

Sandstone rocks millions of years old in

Zion National Park, Utah

Modern sand dunes in Namibia

Catastrophisme

Meteor Crater, Arizona

diameter: 1.1 km

age: 49,000 years

Aorounga, Chad, Africa

diameter: 17 kilometers

age: 200 million years

Chicxulub, Yucatan, Mexico

diameter: 170 km

age: 64.98 million years

Manicouagan, Quebec, Canada

diameter: 100 kilometers

age: 212 million years

Géologie Environnementale -Oppositions incontournables

• Bien commun >< Gain personnel: Deux philosophiestrès différentes quand l!environnement est considéré

• Ressources renouvelables >< Ressourcesnaturelles non renouvelables (mines, sol, eau, …)

• Catastrophes réversibles >< Catastrophesirréversibles

• Rétroaction positive >< Rétroaction (Feedback)négative

La Terre est singulière

“The Blue Marble”

MODIS Satellite

• L!approche globalenous amène àconsidérer la Terrecomme un ensemblede composants -réservoirs quiinteragissent entre eux

• C!est la seule manièrede quantifier leséchanges; d!établirdes bilans, decomprendre lescycles.

Systèmes: isolé, fermé ou ouvert

Niveaux de complexité

• Niveau de complexité du système dépend:– du nombre d!éléments qui le composent

– du nombre d!interactions entre les éléments

– de la complexité de ces interactions

• Niveau d!analyse– Niveaux scientifiques (physico-chimique et biologique)

– Niveaux «"sciences humaines"» (psycho-social etculturel)

La terre est un système clos, constittuéde sous-systèmes ouverts:

1.l!Atmosphère

• The Earth is surrounded byan atmosphere of gases,mainly nitrogen (78%) andoxygen (21%) plus othergases (argon, CO2, neon,helium,…, H2O).

• No other planet in the solarsystem has such anatmosphere.

• Clouds representcondensed water vapour.

Subdivisions de l!atmosphère

2. L!hydrosphère

• The oceans occupy 71% of thesurface of the planet (1700million km2).

• Only the Earth has just the rightsurface temperature to maintainliquid water, ice, and watervapour.

• The hydrosphere (watersphere) consists of theoceans, lakes, and streams;underground water; snowand ice (=cryosphere).

• Water (H2O) is one of the

commonest substances on Earth,

yet it is uncommon in many of its

properties.

• The water molecule is relatively

simple and is made up of 3 atoms

– two hydrogen cations (H+

positive charge) and one oxygen

anion (O2- negative charge).

• At atmospheric pressure, pure

water melts at 0°C and pure

water boils at 100°C:

– note that all three phases of

water (solid, liquid gas) can

coexist at ~0.01°C and ~6.1

millibars!

Water

Molecule

(H2O)

H2O Stability

3. La Biosphère• The biosphere (life sphere) includes all of

the Earth!s living matter.

• Most of the biosphere is found in a thin zoneat the Earth!s surface (-100 m to +2000 m).

http://seawifs.gsfc.nasa.gov/SEAWIFS.html

4.La géosphère

Rayon- 6371 kmMasse - 5,997 x 1024 kgVolume - 1,083 x 1021 m3

Densité - 5,517 gcm-3

Noyau - 16,2 % vol.Manteau - 83,2 % vol.Croûte - 0,6% vol.

La Terre est unique

1. La tectonique desplaques est uneparticularité unique

2. Seule la Terre possèdeune atmosphère tertiairedans le système solaire

3. L!eau existe sur Terresous forme solide,liquide, et gazeuse (à lasurface)

4. Toutes ces conditionscombinées rendent la viepossible

5. Si nous souhaitonsprévoir, il faut caratériserces sous-systèmes etapprécier les interactions

Satellite Composite: The Earth & Its

Atmosphere

Earth Rise, Apollo 8, Dec 1968

Processus cycliques - Cycles

Répartition del!Energie solaire à lasurface de la Terre

Climat = interactions entre

géosphère, biosphère, atmosphère ethydrosphère

1. Bilan Radiatif

Energies disponibles à la surface

•Constante solaire: 1368 W.m-2; en24h (4!r2) donne 340 W.m-2

L!énergie solaire représente 99,9%de l!Énergie totale apportée à laTerre

Absorption d!une partie duflux solaire dans la hauteatmosphère (N2, O2, O3)

Nature desrayonnements du

soleil

O2 + UV solaires = O + OO + O2 = O3O3 + rayonnements solaires= O + O2

L!ozone : ami àprotéger

Le trou

d’ozone

Niveau moyen du bon ozone au-dessus de l!Antarctique

Production mondiale de CFC(1976 -> )

Le trou

d’ozone

Projection de l’augmentation de la teneur en ozone troposhérique

d’ici à 2100 (AGU)

L’ozone troposhérique: ennemi

- Effet de serre naturel; T° de surface propice à la vie

Notiond!effet de

serre

- 160-180 W.m-2 -> -18°CLoi de Stefan-BoltzmanE=Cste x S x T4 (Kelvin)- Absorption par les gaz à effet de serre et re-émission derayonnements de plus grande l (dans toutes les directions)T° à la surface = 15°C

Production mondiale de CFC(1976 -> )

L’effet de serre

Bilan radiatif

- Energie solaire directe: 160 W.m-2

- Energie solaire «"recyclée"»: 320 W.m-2

- La surface terrestre reçoit: 160 W.m-2+ 320 W.m-2

- Il en repart 400 W.m-2

- Les 80 W.m-2 excédentaires sont utilisés par le cycle de l!eau

2. Le cycle de l!eau

• Le cycle de l!eau se déroule essentiellement au-dessus des océans,prélève de l!énergie à la surface par évaporation et la restitue à latroposhère lors de la condensation.

Hydrosphere:The part of the Earth system that containsthe ocean, lakes, and streams;underground water; and snow and ice,including glaciers.

Water moves fromone reservoir toanother, but the totalamount of water inthe system is fixed!

Réservoirs d!eau: Quelle est la quantitéaccessible?

• The largest reservoir of water is the ocean, which contains more than 97.5% of(1350.106 km3) all the water in the water cycle – and it!s all salty!

• Nearly three-quarters of the remaining fresh water is frozen, most of it in thepolar ice sheets of the Arctic and Antarctic.

• Of the unfrozen fresh water, about 98.5% is found in a single reservoir,groundwater:– Note how little water actually resides in the atmosphere or in streams, rivers, and

lakes.

Pine Island Bay, Antarctica

The Salinity of

Seawater

• In the major ocean basins, 3.5% of the weight of seawater is on average

dissolved salt and 96.5% is water – the average salinity of seawater is about

35 parts per thousand.

• The salinity of ocean surface water varies with latitude (see above left):

– Rainy regions are associated with relatively low salinity (dilution)

– Hot regions are associated with relatively high salinity (evaporation)

Chloride (Cl-) 19.35 55.07

Sodium (Na+) 10.76 30.62

Sulphate (SO42-) 2.71 7.72

Magnesium (Mg2+) 1.29 3.68

Calcium (Ca2+) 0.41 1.17

Potassium (K+) 0.39 1.10

Constituent g/kg

%

weight

Salinity values in parts per thousand

Major Constituents of Seawater

Origine de la salinité des océans

Processus cycliques -Périodicité

• Les conditionsenvironnementales ontévolué au cours destemps géologiques

• Les variations tendentà être cycliques, avecdes périodes plus oumoins longues et deschangement brutaux

• Ex: cycles de Milankovitch,fréquence de 100.000ans,cycles glaciaire-interglaciaire; cycles del!apparition des tachessolaires (11 et 22 ans)

La Terre dans le temps

“The Blue Marble”

MODIS Satellite

Est-ce possible decomparer la durée devie de l!humanité àcelle de notre planète?

Temps Géologique 1• Our comprehension of time spans as great as several billion years is

very difficult - we almost always judge history in terms of human lifespans (our own experience).

• To better illustrate geologic time, let!s compress the entire 4.6 billionyears of geologic time into one single year:

Les événements précédant le mois de décembre

Epanouissement des eucaryotes (premières cellules pourvues d'un noyau)15 novembre

Plus anciennes plantes fossiles photosynthétiques12 novembre

Date des plus anciens fossiles (bactéries et algues bleues vertes)9 octobre

Formation des plus vieilles roches connues sur Terre2 octobre

Début de la vie sur Terre25septembre

Formation de la Terre14septembre

Début du système solaire9 septembre

Début de la galaxie de la Voie lactée2 mai

Big Bang1er janvier

Temps Géologique 2Les évènements du mois de décembre

Fin du Pliocène. Quaternaire (Pléistocène et Holocène). Premiers humains.31 décembre

Evolution des lobes frontaux dans le cerveau des primates. Premiersanthropoïdes. Les mammifères géants pullulent.

30 décembre

Fin de l!ère Mésozoïque. Début de l!ère Cénozoïque et du Tertiaire.Premiers cétacés. Premiers primates.

29 décembre

Crétacé. Premières fleurs. Extinction des dinosaures.28 décembre

Jurassique. Premiers oiseaux27 décembre

Triassique. Premiers mammifères.26 décembre

Fin de l!ère Paléozoïque. Début de l!ère Mésozoïque.25 décembre

Permien. Premiers dinosaures24 décembre

Carbonifère. Premiers arbres. Premiers reptiles.23 décembre

Début du Dévonien. Premiers insectes. Les animaux colonisent le sol.21 décembre

Silurien. Premières plantes vasculaires. Les plantes colonisent le sol.20 décembre

Ordovicien. Premiers poissons. Premiers vertébrés.19 décembre

Premiers planctons océaniques. Les trilobites pullulent18 décembre

Fin du Précambrien. Début du Paléozoïque et du Cambrien. Les invertébréspullulent.

17 décembre

Volcanisme intense et formation des canaux sur Mars5 décembre

Atmosphère oxygénée commence à se développer sur terre1er décembre

Temps Géologique 3Les évènements du 31 décembre

13 h 30' Apparition du Proconsul et du Ramapithèque, ancêtres probables dessinges et des hommes'

23 h 00' Premiers humains23 h 46' Usage général d'outils de pierre Domestication du feu par l'homme de

Pékin23 h 56' Début de la plus récente période glaciaire23 h 58' Des navigateurs s'installent en Australie23 h 59’ Intense activité de peinture rupestre en Europe23 h 59' 20" Invention de l'agriculture23 h 59' 35" Civilisation néolithique : premières villes23 h 59' 50" Premières dynasties à Sumer, Ebla, et en Égypte; développement de

l'astronomie23 h 59' 51" invention de l'alphabet; Empire akkadien23 h 59' 52" Codes d'Hammourabi à Babylone; Moyen-Empire en Égypte

. 23 h 59' 53" Métallurgie du bronze; culture mycénienne; guerre de Troie; cultureolmèque; invention de la boussole

23 h 59' 54" Métallurgie du fer: premier Empire assyrien; Royaume d'Israël; fondationde Carthage par les Phéniciens

23 h 59' 55" Inde d'Ashoka; dynastie Ch'in en Chine; Athènes de Périclès; naissancedu Bouddha

23 h 59' 56" Géométrie euclidienne; physique d'Archimède; astronomie de Ptolémée;Empire romain; naissance du Christ

23 h 59' 57" Invention du zéro et des décimales dans l'arithmétique indienne;chute de Rome; conquêtes musulmanes

23 h 59' 58" Civilisation Maya; dynastie Song en Chine; Empire byzantin; invasionmongole; croisadesRenaissance en Europe; voyages de découvertes européens et chinois(dynastie des Ming); apparition de la méthode expérimentale dans lessciences

23 h 59' 59" Développement général de la science et de la technologie; émergenced'une culture globale; acquisition des moyens d'autodestruction del'espèce humaine; premiers pas dans l'exploration spatiale interplanétaireet la recherche de l'intelligence extraterrestre

Aujourd’hui est la première seconde de la nouvelle année

Relative Time vs. Absolute Time

• Geologists deal with two kinds of

time, relative and absolute.

! Relative time is the order in which

a sequence of past events

occurred.

! Absolute time is the time in years,

when a specific event happened.

• Today we will deal with relative

time and next class we will look at

the notion of absolute time.

Relative Time vs. Absolute Time

Principle of Superposition

• The principle of stratigraphic superposition states that in any

undisturbed sequence of strata, each stratum or layer is younger than

the stratum below it and older than the stratum above it.

younger strata

older strata

inclined strata?

Relative Time vs. Absolute Time

• Figures from

– R. Trompette, La Terre, une

planète singulière, Pour la Science,

Belin, 2003

– A. Nicolas, 2050 Rendez-vous à

risques, Pour la Science, Belin,

2004