La compréhension des climats passés est essentielle pour comprendre comment les sociétés humaines ont été façonnées par les changements environnementaux au fil du temps. L'une des sources les plus précieuses de données climatiques historiques provient de dépôts de cavernes, qui contiennent des formations minérales et des matériaux conservés qui enregistrent les conditions climatiques de milliers à centaines de milliers d'années.Ces archives naturelles, connues sous le nom de spéléothèmes, fournissent des données de haute résolution qui peuvent être datées avec précision à l'aide de méthodes uranium-thorium, offrant des indications bien au-delà de ce que les documents historiques ou les anneaux d'arbres peuvent fournir.

Qu'est-ce que les dépôts de grottes?

Les dépôts de grottes, ou spéléothèmes, comprennent les stalactites, les stalagmites, les roches et les colonnes qui forment au cours des siècles comme gouttes d'eau riches en minéraux, infiltrations ou écoulements à travers les systèmes de grottes. Les plus étudiés sont les stalagmites, qui poussent vers le haut de la couche de plancher de caverne par couche. Chaque couche capture un instantané du climat au moment de sa formation. Le minéral primaire est calcite (carbonate de calcium), qui précipite lorsque l'eau perd du dioxyde de carbone.

Ces formations sont particulièrement précieuses car elles peuvent être datées avec une grande précision en utilisant le thorium-uranium (U-Th), qui est fiable depuis environ 500 000 ans. La bande annuelle, semblable aux anneaux d'arbres, fournit une résolution temporelle encore plus fine pour les derniers millénaires. Les grottes des régions tropicales, tempérées et arides préservent chacune des signaux climatiques distincts, faisant des spéléothèmes un réseau mondial de proxies paléoclimatiques. L'épaisseur de la couche de croissance elle-même peut être un proxy climatique : les couches plus épaisses indiquent généralement des périodes plus humides lorsque les débits de gouttes sont plus élevés, tandis que les couches plus minces forment des intervalles plus secs.

Types de dépôts de grottes

  • Stalagmites et stalactites – Les formations emblématiques en forme d'icicle qui poussent du plafond (stalactites) et du plancher (stalagmites). Les stalagmites sont préférées pour les études paléoclimatiques parce qu'elles s'accumulent continuellement, leurs couches restent dans l'ordre stratigraphique correct, et elles sont moins affectées par l'eau qui a pu être dégazée et équilibrée avec l'air des cavernes.
  • Taille – Dépôts en feuilles qui se forment sur les parois des grottes ou les planchers où l'eau coule dans une couche mince. Ils peuvent fournir un long enregistrement intégré de l'hydroclimat régional, mais leur croissance est souvent moins régulière que les stalagmites, ce qui complique la préservation des bandes annuelles.
  • Coulettes mammales – Couches botryoïdales ou arrondies qui poussent dans des conditions subaqueuses, préservant des laminées très fines. Elles sont communes dans les grottes phréatiques profondes et peuvent offrir des enregistrements exceptionnellement détaillés des changements de la nappe phréatique.
  • Glace de glace – Dans les grottes froides, la glace vivace peut conserver les gaz et les particules piégés, bien qu'elle soit moins fréquente.
  • Moonmilk – Un dépôt mou et semblable à une pâte de carbonate de calcium qui se forme dans des conditions de faible écoulement. Bien que difficile à date et échantillon, il contient parfois des microfossiles et du pollen qui documentent les écosystèmes passés.

Méthodes d'analyse des dépôts de grottes

Chaque méthode vise un aspect différent de l'environnement au moment du dépôt. La surveillance moderne des grottes – mesure de la température, de l'humidité, des débits de gouttes et de la chimie de l'eau d'égout – aide à calibrer ces proxies et à comprendre comment le filtre des grottes modifie le signal climatique.

Analyse des isotopes

Dans de nombreuses régions, γ18O est fortement corrélé avec la quantité de pluie (l'effet de mont φ) ou avec la température de l'air. Par exemple, dans le domaine de la mousson asiatique, les valeurs plus négatives φ18O indiquent une pluviométrie plus forte de la mousson. Les isotopes du carbone ( φ13C) reflètent le type de végétation au-dessus de la grotte—Les plantes C3 (arbres et arbustes) produisent de la calcite avec une plus légère φ13C, alors que les herbes C4 se traduisent par des valeurs plus élevées — ainsi que le degré d'activité biologique du sol et les précipitations antérieures de carbona dans la zone du sol.

La thermométrie isotopique en rainure (Δ47) est une technique plus récente qui mesure l'ordre de 13C-[18O liaisons dans le réseau calcite, fournissant une estimation directe de la température de formation sans avoir besoin de connaître la composition isotopique de l'eau. Bien que coûteuse et nécessitant de grandes masses d'échantillons, elle a été appliquée avec succès aux spéléothèmes de la Méditerranée et de l'Amérique du Sud pour reconstruire des températures paléotopiques absolues.

Analyse des éléments traces

Des éléments tels que magnésium (Mg), strontium (Sr), baryum (Ba) et uranium (U)[ sont incorporés dans la calcite en quantités qui varient en fonction du temps de séjour de l'eau, des précipitations de calcite antérieures et des changements dans la zone du sol. Les rapports Mg/Ca plus élevés indiquent souvent des conditions plus sèches, car plus de Mg est libéré de la roche hôte pendant une interaction eau-rock plus longue.

Preuves paléontologiques

Les grains de pollen provenant de la végétation environnante s'installent sur le sol de la grotte ou sont lavés, ce qui donne un registre des communautés végétales changeantes. Les fragments de charbon de bois indiquent des événements de feu, qui peuvent être corrélés avec des sécheresses ou une activité humaine.Les restes conservés de microorganismes ancien[ tels que les ostracods ou les foraminifères, bien que moins communs, peuvent fournir un contexte écologique supplémentaire.Dans certaines grottes, les couches de guanos de chauves-souris s'accumulent et contiennent du pollen et des insectes, offrant une autre archive paléoécologique.

Techniques de rencontre

  • Datation U-Th (U-Th) – L'étalon d'or pour la chronologie spéléothermique, précis à 0,1 à 1 % pour les échantillons jusqu'à 500 000 ans. La méthode exploite la chaîne de désintégration de l'uranium au thorium; parce que le thorium est insoluble dans l'eau, les niveaux de Th initiaux sont presque nuls, ce qui permet un calcul précis de l'âge.
  • Comptage annuel des laminées – Dans les stalagmites à bandes visibles, les couches peuvent être comptées comme des anneaux d'arbres, permettant une résolution annuelle ou sous-annuelle pour les derniers millénaires.
  • Datation au radiocarbone – Utilisé pour les résidus organiques ou la calcite elle-même (le 14C en calcite reflète l'atmosphère 14C au moment de la formation, mais une correction pour le carbone mort de la roche hôte est nécessaire).Cette méthode est principalement applicable aux ~50 000 dernières années.

Interprétation des signaux climatiques

Les données de Speleothem ne sont pas des thermomètres directs ou des pluviomètres; elles nécessitent un calibrage minutieux avec des données modernes de surveillance des grottes et une comparaison avec des données instrumentales. La saisonnalité, la voie de l'eau dans le sol et le substrat rocheux et les effets cinétiques pendant les précipitations de calcite peuvent compliquer les signaux. Par exemple, le signal --18O dans une stalagmite peut être influencé par des changements dans la distribution saisonnière des précipitations autant que par les précipitations annuelles totales.

Les principales variables climatiques reconstruites à partir de dépôts de cavernes sont notamment les suivantes :

  • Température annuelle moyenne – Dérivé d'isotopes d'oxygène dans des sites à haute latitude où la température est le principal contrôle, et d'isotopes enclenchés à n'importe quelle latitude.
  • Combien de précipitation – Dans les régions de mousson, -18O est inversement corrélé avec l'intensité des précipitations; dans le karste tempéré, la relation est plus nuancée mais toujours récupérable.
  • Fermeté de la drogue – À travers - -13C, des oligo-éléments (Mg/Ca, Sr/Ca) et la largeur des bandes annuelles. Une période prolongée de laminées minces et lourdes isotopiquement signale souvent une mégadouille.
  • Saisonnalité – En analysant la composition des laminées individuelles ou en utilisant des techniques de microfaisceaux telles que la spectrométrie de masse secondaire d'ions (SIMS), les chercheurs peuvent reconstruire les précipitations hivernales par rapport aux précipitations estivales.
  • Couverture et type de végétation[ – γ13C et teneur en pollen révèlent des déplacements entre la forêt et les prairies, qui affectent à leur tour l'albédo de surface et l'évapotranspiration.

Impacts sociétaux des changements climatiques révélés par les données de grotte

Les données climatiques historiques des grottes ont permis de comprendre comment les sociétés anciennes ont réagi aux changements environnementaux. Les périodes de sécheresse identifiées dans les registres des grottes sont souvent en corrélation avec le stress sociétal, la migration ou l'effondrement.

L'effondrement des Mayas classiques

L'analyse des dépôts de grottes en Amérique centrale, en particulier dans les grottes de la péninsule du Yucatán et du Belize, indique une sécheresse prolongée et grave de plusieurs siècles durant la période classique terminale (environ 800 à 1000 CE). Ce stress climatique a probablement contribué à des échecs agricoles, à des troubles sociaux et à l'effondrement des grandes villes mayas de basse altitude. Une étude historique d'une stalagmite de la grotte du Yok Balum au Belize a montré que les valeurs φ18O ont augmenté de façon spectaculaire entre 750 et 900 CE, ce qui indique une réduction de 70 % des précipitations annuelles par rapport à aujourd'hui. La sécheresse n'était pas un événement unique mais une série d'intervalles secs qui ont érodé la résilience de la société maya, qui avait déjà dépassé sa base de ressources.

[Lien externe: Medina-Elizalde et al., 2012, Science

Règlement du Groenland par les Nors

Les dépôts de grottes de la région de l'Atlantique Nord, y compris les spéléothèmes des grottes en Islande et en Norvège, ont documenté le refroidissement de la période de la chaleur médiévale dans la petite période glaciaire. La colonisation du Groenland par les Norses (environ 985 CE) s'est produite pendant un intervalle climatique relativement doux, mais au XIIIe siècle, les relevés du spéléothème montrent une glace de mer marquée par le refroidissement et l'augmentation de la glace. La colonisation de l'Ouest du Groenland a été abandonnée en 1350 et la colonisation de l'Est en 1450. L'analyse d'une stalagmite provenant d'une grotte dans le sud de la Norvège révèle que les températures hivernales ont chuté de plusieurs degrés Celsius, raccourcissant la saison de croissance et rendant les voyages transatlantiques plus dangereux.

Lien externe: Dugmore et al., 2012, PNAS

La sécheresse et l'Empire romain

Une stalagmite de la grotte de Corchia en Italie montre que la période romaine de la chaleur (environ 200 avant JC–200 avant JC) était exceptionnellement humide, soutenant l'excédent agricole et l'expansion impériale. Cependant, à partir de 200 après JC, la région a connu une aridité croissante, coïncidant avec la crise de la troisième siècle. Un hiatus dans la croissance de la stalagmite entre 300 et 550 après JC indique une sécheresse extrême, se chevauchant temporellement avec le déclin de l'Empire romain occidental. Bien que le climat n'ait pas été la seule cause, il a aggravé les vulnérabilités existantes — pénuries alimentaires, inflation économique et migrations barbares alimentées par leurs propres pressions environnementales.

Migrations en Afrique de l'Est

Les dépôts de grottes des grottes d'Afrique de l'Est, comme celles des hautes terres éthiopiennes, ont fourni des données détaillées sur la période africaine de l'humide et sa fin soudaine il y a environ 5 000 ans. Cet événement de séchage a probablement déclenché l'expansion du pastoralisme et la propagation des locuteurs de langues afro-asiatiques à travers le continent.Plus récentes données spéléothermiques de la grotte Hoti à Oman (mais techniquement pas en Afrique de l'Est, partie du même système de mousson) montrent que l'affaiblissement de la mousson de l'océan Indien autour de 1000 CE est en corrélation avec le déclin du Royaume Aksumite en Éthiopie.

Incidences sur la société moderne

L'étude des changements climatiques passés par les dépôts de cavernes aide les scientifiques à prédire les tendances futures et à préparer les sociétés aux défis climatiques potentiels. La résolution et la précision des enregistrements du spéloothème nous permettent de voir les taux, les grandeurs et les fréquences des changements climatiques passés – information qui est essentielle pour valider les modèles climatiques et évaluer les risques.

Prévoir la variabilité future de l'hydroclimat

De nombreuses régions, dont le Sud-Ouest américain, la Méditerranée et l'Asie du Sud-Est, devraient connaître des sécheresses plus graves et plus fréquentes dans le cadre de scénarios de réchauffement futurs.Les données de Speleothem fournissent une base naturelle pour la variabilité de ces systèmes. Par exemple, les données de stalagmites provenant Crète et Israël[ montrent que la sécheresse actuelle dans l'est de la Méditerranée se situe dans la plage de variabilité naturelle, mais que le réchauffement futur pourrait la pousser au-delà de tout ce qui a été vu au cours des 900 dernières années.

Renforcer la résilience sociale

Les sociétés modernes ont une technologie avancée et un commerce mondial, mais elles sont aussi confrontées à une complexité et à une interdépendance accrues. Les données paléoclimatiques tirées de la grotte peuvent éclairer la gestion des ressources en eau[, la planification agricole[, et la préparation aux catastrophes[. Par exemple, sachant l'intervalle de récurrence des mégasérums dans le bassin du Colorado, qui provient en partie des enregistrements de grottes, peuvent aider à optimiser les opérations des réservoirs et les politiques d'allocation.

Lien externe: Haug et al., 2009, Nature (sur la sécheresse maya)

Éducation et politique

La recherche sur le spléothème est également un outil puissant pour communiquer le changement climatique au public. La nature visuelle des couches de stalagmite en fait des archives intuitives du temps. Les musées et les centres scientifiques utilisent des tranches de stalagmites pour illustrer comment le climat a changé naturellement, fournissant une perspective à long terme qui contre-vient au scepticisme à court terme.Les décideurs peuvent utiliser ces longues archives pour fixer des objectifs significatifs d'adaptation, reconnaissant que même des changements modestes dans les conditions moyennes peuvent avoir surestimé les impacts sur l'agriculture et la disponibilité de l'eau.

Conclusion

Leur capacité à enregistrer la température, les précipitations et les changements écologiques à des échelles annuelles à centenaires les rend indispensables pour comprendre l'interaction entre le climat et l'histoire humaine.De l'effondrement des Mayas au déclin de l'Empire romain, les données spéléothermiques ont transformé notre compréhension de la façon dont les sociétés passées ont été façonnées par leur environnement et de la façon dont elles ont parfois échoué à s'adapter. Alors que nous sommes face à notre époque de changement climatique rapide, ces capsules de temps souterrain offrent des avertissements et des conseils.

Lien externe: NOAA Programme de paléoclimatologie[