Thèse en sciences de la Terre, soutenue le 9 décembre 2022 par Chloé Bouscary, rattachée à l’Institut des dynamiques de la surface terrestre (IDYST) de la FGSE.
Un système de chevauchements successifs à pendage nord, s’étendant le long de l’arc himalayen et fusionnant en profondeur avec le chevauchement principal de l’Himalaya (MHT), a accommodé la majeure partie de la convergence entre les plaques tectoniques indienne et eurasienne depuis au moins le début du Miocène. Bien que les déformations de la ceinture de plis et de chevauchements himalayenne soit bien documentée sur les échelles de temps récentes (101 ans), Holocène (104 ans), et sur des millions d’années (106+ ans), presque aucune donnée quantitative n’est disponible pour contraindre les déformations sous-Quaternaires (104–5 ans), malgré la proposition selon laquelle les taux de déformation varient épisodiquement sur les échelles de temps géologiques et qu’il existe une activité hors séquence de certaines failles. Combler cet écart temporel est donc crucial pour mieux comprendre la tectonique himalayenne qui entre dans la composition des modèles d’aléa sismique dans cette région densément peuplée.
Dans cette thèse, je commence d’abord par optimiser et valider la méthode de thermochronométrie par luminescence, afin de pouvoir contraindre précisément l’histoire thermique des roches. Je présente ensuite un nouveau jeu de données de plus de 100 échantillons de thermochronométrie par luminescence afin d’avoir une nouvelle perspective sur l’exhumation du Pléistocène supérieur (échelles de temps de 104 à 106 ans), une échelle de temps jusqu’à présent largement inaccessible aux autres techniques, le but étant de contraindre les histoires de refroidissement des roches à haute résolution dans les kilomètres supérieurs de la croûte terrestre. Les échantillons, répartis dans l’arrière-pays (Haut Himalaya) et l’avant-pays (Sous-Himalaya) de l’Himalaya, ont été spécifiquement sélectionnés pour résoudre les déformations des principales structures géologiques façonnant l’orogène himalayen, à savoir le chevauchement frontal himalayen (MFT) et le chevauchement central himalayen (MCT).
Les résultats montrent que bien que les failles de la ceinture de plis et chevauchements sous-himalayenne soient actives à la fin du Quaternaire, des mouvements sont également enregistrés dans le Haut Himalaya à la même échelle de temps, pouvant indiquer une activité tectonique de la faille centrale himalayenne (MCT), et mettant potentiellement en danger toute une population.
Ian Delaney, Institut des dynamiques de la surface terrestre
Une équipe de l’UNIL s’est rendue au Groenland où elle étudie les changements dans l’érosion des glaciers, ainsi que le déversement des sédiments glaciaires dans les écosystèmes. Mal connues, l’augmentation de la fonte et l’évolution de la dynamique des glaciers causées par le changement climatique pourraient entraîner des changements conséquents dans les paysages. L’étude vise à comprendre ces mécanismes et à prédire l’évolution de ces systèmes.
Ian Delaney, maitre assistant Ambizione à Institut des dynamiques de la surface terrestre (IDYST), et Marjolein Gevers, doctorante, tous deux rattachés à la Faculté des géosciences et de l’environnement, sont de retour du terrain. Alors que le climat se réchauffe et affecte la dynamique de la surface terrestre, ils tracent les changements dans l’érosion des glaciers et le déversement des sédiments de la calotte glaciaire du Groenland.
Depuis les 50 dernières années, la fonte des glaciers s’accélère de façon significative, et la calotte glaciaire se modifie. Quelles sont les conséquences sur le paysage ? Comment suivre ces phénomènes et prédire leur évolution ?
En prélevant des carottes de sédiments dans les fjords et en jaugeant les rivières du Groenland, Ian Delaney et son équipe cherchent ainsi à suivre les changements récents dans l’érosion de la calotte glaciaire et le déversement des sédiments. Les couches sédimentaires au fond de l’océan sont la mémoire des siècles passés. Elles contiennent des enregistrements de l’afflux de particules de la calotte glaciaire dans la mer. Les résultats de ces précieuses données alimenteront également des modèles permettant d’évaluer l’évolution de la décharge sédimentaire en fonction du réchauffement climatique.
Sept mètres de glace libérés dans les océans
Le glissement et la fonte des glaciers entraînent le déversement de sédiments dans les écosystèmes. En glissant, les glaciers raclent et érodent le substratum rocheux, tandis que les rivières sous-glaciaires charrient ces sédiments.
Dans les régions montagneuses comme la Suisse, les modifications du flux de sédiments provenant des glaciers peuvent avoir un impact sur leur acheminement dans les systèmes fluviaux. L’hydroélectricité est également affectée par le transport des sédiments. Un apport trop important entraîne le remplissage des réservoirs hydroélectriques et peut conduire à une usure accrue des infrastructures hydroélectriques par hydro-abrasion.
Au Groenland, les changements du flux de sédiments se produisent à une échelle beaucoup plus grande. Sept mètres de glace s’élèvent au-dessus du niveau de la mer et pourraient être libérés dans les océans du monde entier au cours du prochain millénaire. Les pertes de masse de la calotte glaciaire au cours du prochain siècle seront probablement plus importantes que celles des 12 000 dernières années.
Les changements spectaculaires de la calotte glaciaire n’affectent pas seulement le niveau global de la mer. Ils modifient également le rejet de sédiments dû à l’érosion, ce qui a un impact sur de nombreux systèmes terrestres. Par exemple, ces changements affectent l’approvisionnement de l’environnement en nutriments, mais aussi en divers éléments chimiques qui peuvent favoriser ou entraver la croissance biologique.
Lors d’une précédente expédition au Groenland financée par le Swiss Polar Institute (SPI), Ian Delaney s’est intéressé aux systèmes fluviaux. Là aussi, l’échelle est d’une autre ampleur que dans les Alpes : le débit de la rivière Watson au Groenland peut atteindre 1400 m3/s (en comparaison, le Rhône est à 500 m3/s !). L’équipe a installé des capteurs de turbidité pour mesurer les sédiments en suspension dans la rivière, et des sismomètres pour mesurer les vibrations des sédiments transportés par les rivières. Cette technique permet d’estimer les flux d’eau et de sédiments quittant les glaciers et s’écoulant dans les rivières pendant une saison de fonte. (Photo : Marjolein Gevers – Rivière Watson à Kangerlussuaq)
Groenland : un travail de terrain exigeant
Au Groenland, l’équipe de Ian Delaney n’est pas seule, car l’évolution actuelle de la calotte glaciaire attire les scientifiques du monde entier. En plus de travailler avec les opérateurs de bateaux locaux, les tâches de terrain sont partagées avec plusieurs collaborateurs suisses et internationaux. Irina Overeem et Ethan Pierce de l’Université du Colorado, Paul Liu de l’Université d’État de Caroline du Nord, Brandee Carlson et Julia Wellner de l’Université de Houston, Andreas Vieli de l’Université de Zurich, chacun travaillant dans des domaines différents et complémentaires tels que la géomorphologie côtière et fluviale, la sédimentologie, l’histoire des calottes glaciaires, la glaciologie et la géomorphodynamique.
Pour Marjolein Gevers, la communication avec tous les membres de l’équipe est essentielle pour s’assurer que chacun a le même objectif et évalue correctement la situation et le danger potentiel de la même manière. « Il est important de continuer à parler de ce que l’on ressent de la situation sur le terrain et quand on se sent mal à l’aise. » Traverser une rivière, ou simplement s’assurer de ne pas tomber du bateau, sont des défis quotidiens qui exigent concentration et vigilance, surtout quand on est fatigué.
Mais le plus grand défi pour l’équipe de l’UNIL consiste maintenant à rassembler les observations « parcellaires » échantillonnées sur le terrain pour construire une vue d’ensemble. Ian Delaney a pour objectif de rassembler les observations provenant des carottes de sédiments afin de calibrer un modèle numérique sur la dynamique des glaciers. L’idée est d’identifier les processus et d’essayer d’évaluer comment ces processus évolueront dans un climat en réchauffement. Cela les aidera à évaluer les changements potentiels de l’érosion des glaciers au cours du prochain siècle, en fonction des scénarios climatiques futurs.
Environ 8% de l’afflux de sédiments dans les océans du monde provient de la calotte glaciaire du Groenland. La décharge de sédiments dans l’Arctique affecte l’apport de nutriments dans les océans du monde. Vu les volumes énormes de sédiments, tout changement aura des impacts.
Ian Delaney
Ici, un dispositif de carottage pénètre dans l’océan depuis le navire pour collecter des sédiments au fond de l’océan. Les échantillons ramenés du terrain fourniront des informations sur les variations temporelles du dépôt de sédiments – qui entraînent des épaisseurs différentes dans les couches de sédiments – et donc sur l’évolution de la décharge au fil des décennies. (Photo : Marjolein Gevers – depuis l’Adolf Jensen au sud du Groenland, juillet 2022)
Une question brûlante : que se passe-t-il lorsque les glaciers reculent ?
Grâce au suivi de la libération des sédiments de la calotte glaciaire au Groenland, l’équipe espère comprendre comment le système réagit à la fonte croissante des glaciers et à l’évolution de leur dynamique. « Le Groenland est un endroit unique : les changements qui s’y produisent sont massifs et ont un impact mondial, mais sont encore mal compris. », commente Ian Delaney. « À travers notre recherche, nous espérons établir des modèles qui nous aideront à comprendre et prédire ces phénomènes, pour pouvoir les anticiper ».
Lorsque les glaciers fondent, que reste-t-il, quels sont les effets secondaires ?
Ian Delaney
Perchée sur son rocher, Floreana Miesen installe une caméra à déclenchement régulier devant le glacier Leverett. C’est une façon de surveiller le changement dans la zone proglaciaire. À droite, I. Delaney et F. Miesen installent cette fois un capteur de turbidité dans le front glaciaire.
Thèse en géographie, soutenue le 25 novembre 2022 par Nora Stambolic, rattachée à l’Institut de géographie et durabilité (IGD) de la FGSE.
Les réseaux de firmes ont rarement été utilisés pour détecter les effets des frontières sur la performance économique et l’intégration des régions frontalières, même s’ils sont très importants pour donner à voir des différents canaux de prise de décision et de pouvoir entre les firmes et les villes frontalières. Cette thèse de doctorat contribue à combler cette lacune et à alimenter le débat actuel sur la mesure dans laquelle les entreprises et les villes frontalières peuvent tirer parti des frontières.
L’objectif général de cette thèse de doctorat est d’identifier le niveau d’intégration interne et externe dans les régions métropolitaines transfrontalières du point de vue de leurs réseaux. Notre hypothèse générale est que l’ouverture des frontières au sein de l’Union européenne encourage les régions métropolitaines frontalières à coopérer au niveau régional pour être compétitives au niveau mondial en s’appuyant sur les points forts existants dans les secteurs privé et public (en combinant les différences et les complémentarités). Cette hypothèse repose sur le fait que les fonctions des frontières ont subi de profonds changements dans le contexte de l’intégration européenne, de la mondialisation des échanges économiques et de l’affaiblissement du rôle des États nationaux dans la régulation de l’ordre économique et social. Les fonctions des frontières comme barrières et outils de contrôle ont fortement diminué ; les frontières n’apparaissent donc plus seulement comme des contraintes mais aussi comme des ressources, notamment en ce qui concerne l’exploitation des différentiels frontaliers par les entreprises et les travailleur·euse·s.
Pour examiner l’aspect géographique du comportement des entreprises dans les régions frontalières, les effets des frontières sur les performances économiques des villes frontalières et la position des villes frontalières dans les réseaux mondiaux d’entreprises multinationales, un cadre conceptuel multidimensionnel et multi-échelle est proposé. Un accent particulier est mis sur l’étendue géographique des réseaux et des modèles d’intégration à différents niveaux (c’est-à-dire le niveau micro des entreprises, le niveau méso des villes et le niveau macro des systèmes interurbains) et à différentes échelles spatiales (régionale, nationale et mondiale). Les données sur les entreprises sont extraites de la base de données ORBIS qui fournit des informations sur les caractéristiques générales et les emplacements géographiques des 3 000 premiers groupes d’entreprises mondiales et de leurs 800 000 filiales liées par 1 000 000 de relations de propriété en 2013. Cette analyse est complétée par des entretiens qualitatifs menés auprès d’un échantillon d’entreprises et d’acteurs transfrontaliers situés dans la région métropolitaine transfrontalière de Copenhague-Malmo où les réseaux transfrontaliers intra-entreprises semblent particulièrement développés.
Les résultats indiquent que la coexistence de différents environnements réglementaires de part et d’autre de la frontière a permis l’établissement de diverses formes de réseaux d’entreprises transfrontaliers, avec toutefois un caractère asymétrique et des avantages plus importants pour une partie de la région frontalière.
En outre, cette thèse a montré empiriquement que les réseaux d’entreprises multinationales qui se forment entre les villes frontalières contribuent grandement à l’intégration transfrontalière, ainsi qu’à leur importance hiérarchique au sein des réseaux de villes mondiales. Dans cette optique, on peut affirmer que l’avenir des villes frontalières est fortement lié à leur intégration externe avec d’autres villes au sein du système économique mondial. Cela souligne la nécessité d’une collaboration avec les villes existantes et futures, entre les industries des différentes villes, ainsi que le développement d’industries innovantes complétant les industries existantes.
Thèse en géographie, soutenue le 2 décembre 2022 par Michelle Foley, rattachée à l’Institut des sciences de la Terre (ISTE) de la FGSE.
Les plus grands événements éruptifs de type explosifs du registre géologique sont liés à des roches de compositions felsiques, telles que les super-éruptions caractérisant Yellowstone (USA) et Toba (Indonésie). Comprendre l’origine des volcans rhyolitiques à caractère explosif présente plusieurs intérêts :
ils représentent une menace majeure pour notre sécurité,
les centres volcaniques peuvent être une source d’énergie (géothermique) ainsi que des lieux privilégiés d’exploitation de métaux industriels ou précieux (or, cuivre, argent, fer).
Le but de cette thèse est d’améliorer nos connaissances sur les processus fondamentaux à l’origine de la création de grands volumes de magmas felsiques, notamment en raison de leur lien étroit avec la compréhension de la formation et de l’évolution de la croûte terrestre (continentale) au fil du temps.
La zone d’étude est la province ignée silicique jurassique de Chon Aike (CASP), où les roches volcaniques représentent plus de 235’000 km3 distribués à travers la Patagonie et la péninsule Antarctique. Le CASP est un exemple de magmatisme felsique où la fusion partielle (anatexie) de la croûte sédimentaire plus ancienne semble être un paramètre important quant à sa formation. Toutefois, cette hypothèse est fortement débattue en raison de la rareté des données. Par conséquent, j’ai étudié deux formations felsiques majeures dans le CASP de la Patagonie méridionale (Argentine) : le complexe d’El Quemado (EQC) et la formation de Chon Aike (CA) dans la partie occidentale du massif de Deseado. Ces formations sont constituées de dépôts d’ignimbrites et de coulées de lave de composition rhyolitique, et parfois de dacite.
J’ai combiné des données sur l’oxygène et les isotopes radiogéniques pour identifier les sources crustales et mantelliques dans la génération des magmas CASP. Mon travail montre que les minéraux étudiés, quartz et zircon, sont caractérisés par des compositions δ18O élevées et de données isotopiques négatives d’epsilon hafnium, ce qui suggère une composante crustale importante dans la genèse de ces magmas siliciques. Les modèles géochimiques indiquent que 60% à 70% des magmas générés proviendraient de la fusion partielle d’un socle métasédimentaire. Les modélisations thermodynamiques indiquent que la fusion crustale est limitée à une profondeur d’environ 20 km (5 kbar) et à une température de 900°C. Une contribution géochimique et thermique provenant de magma(s) basaltique(s) est encore nécessaire pour expliquer la géochimie observée et pour fournir une source de chaleur nécessaire à la production de grands volumes de roches felsiques. La contribution d’un plume mantellique a souvent été mentionnée suite à la proximité de la Patagonie et du continent Africain au Jurassique, soit durant la séparation du Gondwana. Toutefois, la formation de l’EQC and du CA serait mieux expliquée par un scénario impliquant un contexte de subduction.
Les échantillons de l’EQC ont des âges entre 148 et 152 Ma, tandis que les échantillons de la CA sont nettement plus anciens, soit environ 159 Ma. A l’aide des âges U-Pb de haute précision, il a été possible de démontrer que le volume de magmas explosifs composant l’EQC a fait éruption en moins de 350’000 ans. Ce rythme d’éruption rapide est similaire à celui des « ignimbrite-flareups » modernes observés dans la zone volcanique du Taupo (Nouvelle-Zélande) et du complexe volcanique de l’Altiplano-Puna (Chili).
En dernier lieu, l’utilisation de la tomographie par sonde atomique (APT), une technique relativement récente de caractérisation à l’échelle nanométrique de matériaux géologiques en 3D, a permis l’acquisition d’analyses élémentaires et isotopiques sur la dissolution et la croissance dans les zircons ignés. Les cartes chimiques à l’échelle atomique (3D) ont révélé une distribution complexe des éléments traces tels que Y, Be et P à l’échelle du nanomètre dans certains cristaux, mais dans l’ensemble, la distribution des éléments traces est remarquablement homogène, ce qui indique une limitation de la mobilité des éléments traces durant la fusion partielle.
La croûte continentale représente 41% de la surface de la Terre. Du fait de son épaisseur, ses zones les plus profondes restent méconnues, alors qu’elles jouent un rôle fondamental dans les cycles globaux se produisant entre la surface terrestre et le manteau. Le projet DIVE vise à dévoiler les secrets de ces processus de transition. Comment ? Grâce à deux forages d’environ 1 km de profondeur dans la région de la zone géologique dite d’Ivrea-Verbano (Piémont, Italie). Après cinq ans de préparation, des scientifiques de l’UNIL sont enfin sur le terrain.
György Hetényi et Othmar Müntener (professeurs à l’Institut des sciences de la Terre) nous font partager leur enthousiasme pour ce projet.
Atteindre le manteau : un projet vieux de plus de soixante ans
Le projet d’atteindre et traverser la transition de la croûte terrestre au manteau supérieur date d’il y a plus de 60 ans. A l’époque, seules des mesures indirectes laissaient entrevoir les propriétés physico-chimiques des roches qui la composent. Mais les tentatives d’accès à la croûte profonde elle-même, par des forages réalisés notamment au fond de l’océan ou en URSS, se sont avérées infructueuses. Les contraintes techniques et les coûts engendrés en regard des résultats espérés ont ensuite freiné les initiatives pour renouveler de telles tentatives.
Qu’est-ce qui rend la planète Terre unique ? Avec l’eau et la vie, c’est la tectonique des plaques.
DIVE project
En 2008, Luigi Burlini, géologue à l’ETHZ, discute d’une idée originale avec Othmar Müntener. Il s’agit d’utiliser les Alpes comme « raccourci » vers le manteau. Dans la région d’Ivrea-Verbano, le manteau terrestre est à portée de main : elle se situe à environs 3 km de profondeur, suite aux plissements alpins. C’est l’observation de roches de haute densité et le déplacement rapide des ondes sismiques qui ont permis de révéler cette situation singulière couvrant une zone d’environ 70 km de long (connue sous le nom d’Ivrea Geophysical Body).
Coupe transversale à travers l’Ivrea Geophysical Body, selon les connaissances en 2017. Ce schéma montre les vitesses des ondes estimées de deux manières : en noir les vitesses dérivées de la réfraction sismique et des anomalies de densité du modèle de Berckhemer en 1968 ; en orange les iso-vitesses des ondes P interpolées à partir de la tomographie des séismes locaux de Diehl et coll. (2009). Cette analyse révèle que la zone en grisée est bien le manteau que le projet DIVE ambitionne d’atteindre.
Cette idée originale a été reprise pour être concrétisée en 2017 durant un workshop réunissant plus de 45 chercheuses et chercheurs à Baveno au bord du Lac Majeur en Italie, par la mise sur pied du projet DIVE (Drilling the Ivrea-Verbano zonE). Soutenu par l’International Continental Scientific Drilling Program (ICDP), DIVE entreprend plusieurs forages scientifiques dans la zone d’Ivrea-Verbano. Son objectif ? Identifier les propriétés physico-chimiques de la transition croûte-manteau, et mieux comprendre les processus qui régissent la formation et l’évolution de la croûte continentale inférieure.
A quoi ressemble la croute continentale profonde ? Et jusqu’à quelle profondeur peut-on trouver de la vie dans la croûte ?
DIVE project
DIVE est mené par un groupe de recherche international et multidisciplinaire, couvrant des domaines de la géophysique, de la géochimie, de la géodynamique, ainsi que de la pétrologie et la rhéologie. Des microbiologistes sont aussi de la partie : ils cherchent à savoir jusqu’à quelle profondeur on peut trouver la vie dans la croûte terrestre.
D’autres membres de la FGSE (ISTE) se mobilisent également dans ce projet : Klaus Holliger (professeur), Alexia Secrétan, Kim Lemke, Zheng Luo (doctorantes et doctorants), Ludovic Baron (ingénieur de recherche en géophysique). Aurore Toussaint, Julien Reynes et Benjamin Klein, ainsi que des chercheuses et chercheurs des Universités de Berne, Mainz, Trieste, Pavia, Leoben, Grenoble, Georgia, et du GFZ Berlin font également partie de l’équipe scientifique se relayant sur le site.
Ce type de projet ne peut pas être réalisé seul ou en binôme, car pour disposer de toutes les compétences nécessaires, ainsi que de la technologie associée, il faut vraiment cette collaboration interdisciplinaire.
György Hetényi
György Hetényi s’intéressera plus particulièrement au gradient de transition entre le manteau et la croûte inférieure : quelle est son épaisseur et quelles sont ses propriétés physiques et chimiques ?
Othmar Müntener sera impliqué dans les recherches pétrologiques et plus précisément dans l’identification de la nature des roches qui se forment à l’interface entre le manteau et la croûte terrestre.
De 2017 à 2022, de nombreuses études préliminaires alliant différentes méthodes géophysiques ont été effectuées notamment afin de déterminer l’emplacement des forages. La proximité du manteau à une profondeur d’environ 1 km sous le niveau de la mer à la surface a pu ainsi être confirmée et modélisée en 3 dimensions par Matteo Scarponi durant son doctorat à l’ISTE, La forme en relief représente la surface de manteau qui « se dresse » vers la surface de la croûte terrestre selon les résultats de Matteo Scarponi, imprimée à l’échelle 1 : 1 million. Des chercheurs de GFZ Potsdam et du Montanuniversität Leoben affinent actuellement cette image via des études à plus haute résolution par sismique active.
Le grand jour : le premier forage et l’extraction des premières roches
Après plus de cinq ans de préparation, les forages ont enfin débuté le 6 octobre 2022 à Ornavasso au val d’Ossola. Dans un premier temps, le rythme est lent. L’équipe s’assure de la verticalité de la foreuse et de ne pas endommager les premières couches de terrain meuble. Par la suite, la vitesse devrait être augmentée jusqu’à environ 1 mètre par heure – soit 15 à 20 mètres par jour idéalement. Jusqu’ici, les premières étapes sont encourageantes. Les carottes extraites sont exploitables à plus de 95%, un rendement très élevé !
Les carottes sont directement photographiées et passées au scanner, afin d’identifier les roches qui les composent et évaluer l’avancement du forage. Elles seront ensuite sciées en deux dans le sens de la longueur. Une moitié servira aux analyses chimiques et physiques et l’autre sera archivée en Allemagne. Ci-dessus une partie des premières carottes prélevées, photographiées et répertoriées (crédit photo : Luca Ziberna, projet DIVE).
Le trou de forage aura un autre avantage. Des instruments de diagraphie fins pourront y être placés. Ils mesureront à une profondeur rarement atteinte les propriétés électriques, thermiques et sismiques du terrain, et effectueront un enregistrement vidéo le long du trou. Ce dispositif, associé au continuum de plusieurs centaines de mètre de carottes au travers de la croûte profonde, constituera un jeu de données unique à ce jour.
L’organisation de ce travail est complexe et les interactions sont continues avec le terrain. Une équipe de 6 à 7 personnes reste en permanence sur le site pour assurer le suivi du forage, analyser les carottes extraites, les répertorier sur une interface numérique ou prélever des fragments pour les microbiologistes. Des questions ou imprévus surgissent régulièrement, que ce soit au niveau technique (achat ou adaptation du matériel), ou scientifique (identification de minéraux et structures). Il faut être très réactif car le forage doit pouvoir se poursuivre rapidement.
Les activités de forage suscitent la curiosité des habitants et visiteurs du site. Voici une partie du dépliant qui décrit le projet et ses objectifs, à l’intention des habitants et visiteurs de la région d’Ivrea-Verbano. Des visites tout public seront également effectuées sur place.
Tout le monde sur le site du forage était super content…. Quand on voit les roches qui sortent, c’est le résultat direct de ces 5 ans d’investissement. C’est vraiment satisfaisant.
Othmar Müntener
Une première étape réjouissante … qui prépare la deuxième
Les résultats des recherches effectuées ces prochaines années sur le matériel obtenu détermineront l’organisation et le timing de la deuxième phase du projet, à savoir un forage de 3-4 km à la recherche du Moho (la transition entre la croûte et le manteau).
Du point de vue scientifique, nous sommes assez surs que nous aurons des surprises que ce soit durant le forage ou les analyses qui suivront.
Le changement climatique pourrait prochainement provoquer la libération de dizaines de milliards de tonnes de carbone depuis les tourbières du Congo. C’est le constat que font les auteurs d’un article publié le 2 novembre 2022 dans la revue Nature, parmi lesquels figure le prof. Thierry Adatte. Cette étude révèle que les tourbières sont fragiles et vulnérables à la sécheresse et que, lorsqu’elles s’assèchent, leur tourbe se décompose et libère du dioxyde de carbone, ce qui accélère encore le réchauffement de la planète. Selon l’étude, ce processus s’est déjà produit une fois dans l’histoire des tourbières – et pourrait se reproduire.
L’étude pointe que la plus grande tourbière tropicale du monde (environ quatre fois la taille de la Suisse) s’est en effet déjà convertie par le passé, il y a cinq mille ans environ, d’un important réservoir de carbone en une source d’émissions nocives de dioxyde de carbone, à la suite d’un changement climatique.
Durant la période néolithique (approx. à la même époque que la construction de Stonehenge), le climat du centre du Congo a commencé à s’assécher, entraînant une forte émission de dioxyde de carbone par les tourbières. Selon cette importante étude internationale coordonnée par l’université de Leeds, ce n’est que lorsque le climat est redevenu plus humide au cours des 2’000 dernières années que les tourbières ont cessé de libérer du carbone et à en piéger à nouveau dans l’atmosphère.
Les scientifiques participant à l’étude préviennent donc que si le réchauffement climatique actuel conduit à des sécheresses dans la région du Congo, l’histoire pourrait se répéter et être un facteur supplémentaire de dangereuse accélération du changement climatique.
Si cela devait se produire, les chercheurs estiment que jusqu’à près de 30 milliards de tonnes de carbone, pourraient être libérées des tourbières dans l’atmosphère sous forme de dioxyde de carbone, un puissant gaz à effet de serre. Cela équivaudrait en ordre de grandeur au volume colossal de trois ans d’émissions mondiales de combustibles fossiles.
Un volume proportionné à la taille des tourbières du Congo, en Afrique centrale, qui constituent le plus grand complexe de tourbières tropicales du monde, avec une superficie de 16,7 millions d’hectares, soit plus que l’Angleterre et le Pays de Galles réunis.
Des chercheurs congolais et européens ont prélevé des échantillons de tourbe sous les forêts marécageuses isolées du centre du Congo. En analysant les restes de plantes, les chercheurs ont pu établir un historique de la végétation et des précipitations dans le bassin central du Congo au cours des 17 500 dernières années, lorsque la tourbe a commencé à se former.
Les cires issues des feuilles des plantes, préservées dans la tourbe, ont permis de calculer les niveaux de précipitations à l’époque où les plantes vivaient.
Au cours de la période de sécheresse la plus intense, les précipitations ont diminué d’au moins 800 mm par an. Cela a entraîné une baisse de la nappe phréatique dans les tourbières du Congo ; les couches plus anciennes de tourbe ont ainsi été exposées à l’air, provoquant une oxydation et une libération de dioxyde de carbone.
L’échantillonnage a ainsi permis de reconstituer le régime de précipitations et le type de végétation de ces régions lorsque la tourbe a commencé à se former. L’UNIL a contribué à l’analyse et à l’interprétation des données TOC (Total Organic Carbon) en particulier, dans le Laboratoire de géologie sédimentaire dirigé par le Prof. Thierry Adatte (Institut des sciences de la Terre), ce qui a permis d’évaluer l’oxydation du carbone organique ainsi que la détermination avec le Dr David Sebag (Institut des dynamiques de la surface terrestre) du Ghost Interval à partir de ces données.
La méthode utilisée est la pyrolyse ; la pyrolyse Rock-Eval est une technique utilisée pour étudier la matière organique dans les sédiments récents et les sols et pour déterminer le degré de décomposition de cette matière dans les tourbes durant les périodes arides où le CO2 est rejeté dans l’atmosphère et non plus piégé dans les tourbières.
Mis bout à bout, l’ensemble des données des différentes équipes impliquées dans la recherche a permis de donner un bon aperçu général de ce qu’est un climat en voie de réchauffement et d’assèchement progressif jusqu’à il y a 2’000 ans en arrière.
Il ressort ainsi de l’étude que ces tourbières sont vulnérables et constituent une source potentielle d’accélération du réchauffement climatique, contre lequel les chercheurs mettent en garde, tout en appelant les différents acteurs concernés, y compris les pays les plus pollueurs, à la préservation de cet écosystème essentiel.
Référence bibliographique
Garcin, Y., Schefuß, E., Dargie, G.C. et al. Hydroclimatic vulnerability of peat carbon in the central Congo Basin. Nature (2022). doi.org/10.1038/s41586-022-05389-3
Thèse en géographie, soutenue le 25 novembre 2022 par John Van Thuyne, rattaché à l’Institut des dynamiques de la surface terrestre (IDYST) de la FGSE.
Ce travail de thèse a été entrepris dans le but de mieux circonscrire les modifications apportées par les termites champignonnistes (TC) de la savane sud-africaine (Chobe Enclave, Botswana). Les TC sont connus pour concentrer certains nutriments, favoriser le développement de la végétation et créer des points d’eau en milieu semi-aride.
Il y a 30 millions d’années, une sous- famille de termites a développé une symbiose avec un champignon dans les forêts tropicales humides d’Afrique. Cette symbiose a permis à cette sous-famille de coloniser de vastes régions semi-arides, qui leur étaient alors inaccessibles. Pour satisfaire cette symbiose, les TC doivent construire un nid reproduisant les conditions de vie de ce champignon, c’est à dire assurer une température plus de 30°C et un taux d’humidité de plus de 80%. A cet effet, les TC modifient substantiellement le sol sur lequel ils établissent leurs termitières.
La perspective de recherche visée par cette étude est de mettre en évidence le rôle géologique des TC en tant que réacteurs de transformation de la géologie de surface de ces paysages de brousse semi-arides et subtropicaux. Il a été démontré au cours de ce travail que les TC s’adaptent à tout type de sol et qu’ils choisissent parmi les grains minéraux présents un mélange approprié de grandeurs de grains (i.e. texture) pour chaque zones et fonctions de la termitière.
En outre, il a été mis en évidence que les TC assemblent des grains minéraux avec de la salive, de la matière organique et de l’eau, formant ce que l’on appelle des agrégats (i.e. structure). Les TC peuvent ajuster le type d’agrégat selon le compartiment et la fonction de ce dernier, en ajoutant ou en retirant de l’eau et en adaptant la quantité et la qualité de la matière organique.
De plus, cette recherche a établi que certains éléments relativement rares dans la région d’étude, tel que le calcium, peuvent être ramenés et concentrés au cœur de la termitière grâce aux conditions physico-chimique produites en son sein. Du fait de ces conditions, des processus et réactions biogéochimiques se développent à l’intérieur de la termitière, comme dans un mini-réacteur, permettent l’accumulation de cet élément chimique (calcium).
Les divers changements apportés par les TC laissent des traces significatives dans les formations superficielles géologiques, tel que des horizons termitiques, des concrétions carbonatées ou des restes de termitières reliques enfouies dans le sol. Ces différentes empreintes pourraient être utilisées pour reconstituer des paléo-environnements.
En conclusion, les TC peuvent être considérés comme des agents géologiques modifiant profondément le sol autour de leurs termitières et ayant des effets durables sur l’évolution des savanes subtropicales africaines.
Le Conseil européen de la recherche finance un ambitieux projet de recherche-action ERC SYNERGY portant sur la gestion par les sociétés du Nord et du Sud des transitions économiques, politiques et sociales vers et dans une ère de post-croissance. Ce projet de 6 ans et de 10 millions d’euros, intitulé « Post-Growth Deal » (REAL) est dirigé par trois chercheurs dont Julia Steinberger de l’UNIL, et vise à apporter à la fois des paradigmes radicalement nouveaux en économie écologique et de nouveaux développements concrets sur le terrain.
L’équipe se compose de deux scientifiques en Catalogne (Espagne), et d’une autre à Lausanne, en Suisse : Giorgos Kallis de l’Institut des sciences et technologies de l’environnement de l’Université autonome de Barcelone (ICTA-UAB), Jason Hickel de l’ICTA-UAB et du Département d’anthropologie de la même université, et Julia Steinberger de l’Institut de géographie et durabilité de l’Université de Lausanne (UNIL).
Afin d’obtenir un éventail suffisant de compétences, qu’aucun chercheur ou équipe en elle-même ne possède actuellement dans ce domaine émergent, les expertises suivantes sont réunies :
modélisation des systèmes d’approvisionnement (Julia Steinberger),
économie politique et relations Nord-Sud (Jason Ηickel),
politique des transformations socio-environnementales (Giorgos Kallis).
Les trois chercheurs récompensés proposent ainsi une nouvelle science transdisciplinaire des « 5 piliers de la post-croissance », fondée sur la modélisation des ressources et de l’énergie, et l’analyse politicoéconomique et sociopolitique afin d’identifier les mesures pratiques permettant de donner vie aux Deals de post-croissance, en travaillant avec quatre communautés représentatives pour coproduire des connaissances et des actions sur le terrain.
L’objectif est une convergence entre le Nord et le Sud du globe, et au sein des pays, vers un niveau d’utilisation suffisant des ressources.
Jason Hickel, ICTA-UAB
Grâce à ce financement, les chercheurs uniront leurs compétences respectives pour explorer « comment parvenir à des réductions spectaculaires de l’utilisation de l’énergie et des ressources, tout en mettant fin à la pauvreté et en assurant une vie décente pour tous ». Ils aspirent à proposer de nouveaux modèles de politiques et de systèmes d’approvisionnement dans une orientation de post-croissance, et à s’engager dans les questions de développement dans le Sud. L’objectif ici, explique Jason Hickel, anthropologue économique à l’ICTA-UAB, est « la convergence entre le Nord et le Sud de la planète, et au sein des pays, vers un niveau d’utilisation des ressources suffisant pour un développement humain élevé et compatible avec les limites planétaires. »
Le Deal post-croissance fait référence à la nécessité d’un nouveau pacte politique et institutionnel entre le gouvernement et les citoyens, équivalent à celui du New Deal ou de l’État-providence, mais désormais axé sur la sécurité du bien-être à une époque de stagnation économique prolongée et de dégradation du climat. La réalisation d’un tel « Deal » nécessite de nouvelles recherches, de nouvelles données et de nouveaux modèles que le projet REAL entend développer.
C’est la première fois qu’un projet d’une telle ampleur et d’une telle portée est accordé sur le thème de la post-croissance, et c’est donc une opportunité qui comporte une responsabilité importante.
Giorgos Kallis, ICTA-UAB
« C’est la première fois qu’un projet d’une telle ampleur et d’une telle portée est accordé sur le thème de l’après-croissance », déclare Giorgos Kallis, spécialiste de l’environnement à l’ICTA-UAB. « Il s’agit d’une reconnaissance et d’une validation des efforts déployés par de nombreux chercheurs isolés depuis des années – contre l’opposition générale et avec peu de soutien institutionnel ou financier. C’est une opportunité qui comporte une responsabilité importante. »
L’apport spécifique de Julia Steinberger dans ce projet est particulièrement lié à l’étape 1, consistant à la modélisation des systèmes d’approvisionnement, les autres aspects reposant aussi sur des développements conjoints avec les deux autres chercheurs barcelonais.
Ce projet n’est rien moins que révolutionnaire et devrait nous offrir ce que nous pensons être la meilleure chance d’explorer les idées transformatrices nécessaires pour protéger l’humanité des entrelacs de crises des prochaines décennies : réorienter nos économies loin de la dépendance à une croissance à risques, et vers un épanouissement humain.
Julia Steinberger, Institut de géographie et durabilité
Que faut-il entendre par là (modélisation des systèmes d’approvisionnement) ?
Julia Steinberger : De façon plus générale, la réponse à ces questions nécessite un ambitieux programme de recherche transdisciplinaire visant à explorer ce que nous appelons les 5 piliers de la post-croissance.
Nous déterminerons tout d’abord l’espace planétaire des possibilités, en modélisant l’utilisation des ressources nécessaires pour vivre décemment, et identifiant comment les ressources peuvent être partagées équitablement entre le Nord et le Sud.
Puis nous développerons des paquets de politiques post-croissance capables de réaliser ces possibilités, à la fois pour l’UE et pour les pays en développement.
Ensuite, nous rechercherons quels types de systèmes d’approvisionnement alternatifs sont nécessaires pour obtenir de bons résultats sociaux avec de faibles niveaux d’utilisation des ressources. Nous étudierons également les types de mouvements politiques qui seraient susceptibles de concrétiser des visions post-croissance.
Enfin, nous explorerons une mise en œuvre pratique passant par une planification participative.
Thèse en sciences de la Terre, soutenue le 17 novembre 2022 par Joanne Elkadi, rattachée à l’Institut des dynamiques de la surface terrestre (IDYST) de la FGSE.
Les derniers 2.6 millions d’années de l’histoire de la terre ont été définis par des fluctuations climatiques entre des phases glaciaires et interglaciaires. Ces phases modifient le paysage à leur manière avec des cycles de croissance et de décroissance des glaciers. La compréhension des conditions climatiques passées, et de leurs effets sur l’environnement, est essentielle. Cela permet de tester et d’améliorer les modèles climatiques qui ont été développés pour prévoir le futur climat. Afin d’évaluer leurs performances, les modèles simulent les conditions du passé et leurs résultats sont comparés à des reconstitutions indépendantes.
De nombreuses recherches ont été consacrées à mieux comprendre le dernier maximum glaciaire (LGM), dernière grande période de froid qui eut lieu il y a environ 20 000 ans. L’augmentation de la température entre cette époque et aujourd’hui est la même que celle prévue pour le futur dans le cadre d’un scénario d’émissions élevées de gaz à effet de serre. Par conséquent, il est dans notre intérêt de comprendre le climat du LGM et les changements de paysage qui se sont produits depuis. Malheureusement, les informations sur les conditions environnementales depuis le LGM restent peu documentées en raison d’un manque de matériel exploitable et/ou de techniques d’analyse adaptées. Au cours des cinq dernières années, deux nouvelles méthodes ont été développées. Ces dernières permettent d’obtenir des informations sur le climat passé et l’érosion de surface depuis le LGM en utilisant un signal sensible à la lumière et à la chaleur dans les surfaces rocheuses.
Ici, j’applique ces nouvelles techniques sur des échantillons prélevés sur les flancs du glacier du Gorner en Suisse, en combinaison avec des résultats de la Mer de Glace en France. Je montre qu’il existe une relation entre l’intensité de l’érosion non-glaciaire et l’altitude, dans le sens où plus les surfaces sont en haut altitude, plus l’érosion est faible. L’érosion par les glaciers a longtemps était considérée comme beaucoup plus forte que l’érosion non-glaciaire. Mon travail confirme cela, cependant j’y montre que le taux d’érosion non-glaciaire dans les environnements montagneux est bien plus haut que l’on spéculait. Ces observations contribueront à mieux comprendre les processus qui façonnent les environnements montagneux. Par rapport à la fin du LGM, je constate que le climat des Alpes en Europe occidentale était beaucoup plus froid et sec qu’aujourd’hui – près de 9 °C de moins et 50-85 % plus sec. Il s’agit d’informations importantes à intégrer dans les modèles climatiques, car elles offrent une quantification locale de la température. Cela pourrait aussi contribuer à résoudre les débats actuels sur l’état de la circulation atmosphérique à cette époque.
Thèse en géographie, soutenue le 17 novembre 2022 par Mehdi Bida, rattaché à l’Institut de géographie et durabilité (IGD) de la FGSE.
L’économie des systèmes de villes est un système complexe auto-organisé, et en réduisant les problèmes urbains à des villes individuelles ou à des groupes de villes nous risquons de ne pas tenir compte de leur nécessaire caractère multiniveau. Comprendre sa dynamique par une approche bottom-up est donc essentiel pour comprendre comment les changements aux différents niveaux d’organisation sont interreliés et comment les différents niveaux conditionnent mutuellement leurs évolutions. Dans cette perspective, nous proposons de fournir une micro-fondation de la dynamique des systèmes de villes qui s’appuie sur la théorie évolutionniste des systèmes urbains et la géographie économique évolutionniste. Nous concevons les villes comme des systèmes évolutifs à plusieurs niveaux d’interaction : à partir des interactions des agents micro-économiques, les villes et le système de villes émergent comme des niveaux supérieurs d’organisation. En accord avec la géographie économique évolutionniste, nous considérons que les agents micro-économiques ont une rationalité limitée, que l’évolution technologique a une dynamique spécifique et que les proximités sont le principal modulateur des interactions. Nous utilisons les théories ci-dessus pour développer un cadre théorique et l’appliquer pour étudier l’évolution de l’organisation économique et géographique du système des villes américaines au cours des deux derniers siècles. L’objectif sera de développer des modèles multi-agents en accord avec le cadre théorique afin de comprendre comment les deux principales transitions du système de villes américain a eu lieu : la première étant son urbanisation et son industrialisation, et la seconde étant sa transition vers l’économie de la connaissance.
À cette fin, nous commençons par développer un modèle multi-agents général de systèmes de villes basé sur le niveau micro qui vise à expliquer deux des régularités les plus remarquables observées dans les systèmes urbains : la loi rang-taille et la relation taille- spécialisation. Le modèle montre que ces deux propriétés peuvent résulter de l’innovation et d’une relation de type modulaire de l’espace des activités.
Dans une deuxième partie, nous cherchons à évaluer l’importance des facteurs spatiaux que sont les coûts de transport et les économies d’appariement (labor matching economies) dans l’industrialisation et l’urbanisation des États-Unis au cours de la période 1820-1920. Nous montrons que les deux processus ne peuvent pas être compris séparément, et que la prise en compte des facteurs spatiaux multi-niveaux des coûts de transport et des économies d’appariement est nécessaire pour comprendre l’industrialisation et l’urbanisation et leur interdépendance. Pour évaluer le rôle des facteurs spatiaux dans les processus d’industrialisation et d’urbanisation, nous effectuons ensuite des analyses contrefactuelles sur un modèle multi-agents basé au niveau micro, calibré de l’économie spatiale des États- Unis pendant la période 1820-1920. Le modèle est développé selon les données empiriques disponibles sur les acteurs économiques et est calibré sur les parts sectorielles et urbaines au niveau macro. L’analyse contrefactuelle confirme l’importance des coûts de transport dans l’industrialisation et le rôle des économies d’appariement dans l’urbanisation.
Dans la troisième partie, nous cherchons à évaluer le rôle des compétences dans la transition du système des villes américaines vers l’économie de la connaissance. Une étude de l’évolution de la composition des compétences des villes au cours de la période 1970 à 2010 permet de montrer quelles compétences ont compté pour le succès des villes pendant la transition. Nous développons ensuite un modèle multi-agents simple des systèmes de villes américaines au cours de la période 1970-2010 pour confirmer l’importance du profil de compétences des villes dans leur succès lors de la transition vers l’économie de la connaissance.
Lukas Baumgartner nous fait partager une journée typique. À ses côtés, nous déambulons d’un laboratoire à l’autre. Au programme : des lancements de mesures entrecoupées par d’intenses discussions d’équipe.
Face à trois écrans, concentré sur les réglages complexes de la Microsonde électronique, Lukas Baumgartner de l’Institut des sciences de la Terre s’apprête à faire parler des pierres de tonalite (granitoïde), extraites d’un site italien qu’il étudie depuis sa thèse.
Des corps mouvants qui racontent l’histoire de la Terre
Lukas Baumgartner veut tout savoir de la composition chimique de ces tonalites et des roches encaissantes – des sédiments métamorphiques. Mais pour comprendre sa démarche, il faut d’abord revenir en arrière. Longtemps en arrière.
La Terre s’est formée après le Bigbang, par accrétion, constituant petit à petit un cœur, qui attire les éléments les plus lourds, un manteau visqueux et une croûte qui se durcit en refroidissant. C’est ainsi qu’à Lausanne, nous marchons sur une croûte d’à peu près 30 km d’épaisseur qui « flotte » sur le manteau. Le flux des roches entre croûte et manteau les amène à entrer en collision, à s’écarter, à plonger… Ces mouvements géologiques ont des conséquences sur la composition des roches, mais aussi des conséquences plus globales. La formation des Alpes, par exemple, en est une. Les variations du CO2 dans l’atmosphère découlent aussi de ces phénomènes, ce qui n’est pas sans importance en ces temps de réchauffement climatique !
« J’étudie une partie de ces mécanismes, une toute petite partie ! »
De grandes questions dans un laboratoire à taille humaine
Pour comprendreces flux de roches plutoniques sous nos pieds, leurs conséquences thermiques et la durée de vie des « anomalies thermiques » liées au magma, différentes méthodes s’offrent aux géologues. Le forage en est une, mais les températures et pressions sont telles en profondeur qu’on ne va guère au-delà de 10 km. L’autre solution, c’est ce que Lukas Baumgartner met en œuvre ici : étudier les roches accessibles à la surface et retracer leur histoire grâce à leur composition chimique. En parallèle, il soumet des minéraux à de hautes pressions et températures, et compare les conséquences de ces expériences à ce qu’on observe dans la nature. Finalement, les lois physiques – comme la diffusion de chaleur dans les roches, ou la diffusion des éléments dans des minéraux comme le grenat – nous permettent de remonter la chronologie des phénomènes géologiques, tels que les événements ignés et métamorphiques courts.
Pratiquement, la Microsonde électronique envoie des électrons sur la lame (photo ci-dessous) et mesure les rayons X émis, caractéristiques pour chaque élément. Des analyses chimiques quantitatives à haute résolution spatiale en résultent. Pour ces machines délicates, un soutien technique qualifié est crucial. En l’occurrence, le chercheur Martin Robyr est toujours là en cas de problème.
Voilà, les mesures sont lancées sur la microsonde. En attendant les résultats, Lukas enchaîne sur un projet parallèle. Cette fois, il s’agit de foraminifères et de l’histoire du climat.
Le changement climatique : une question vieille comme la Terre
Alors que l’on spécule sur l’intensité du changement climatique à venir, les températures qu’a connues de la Terre dans le passé font également débat. Notre fenêtre d’observation des températures de la Terre, nos archives, ce sont notamment les foraminifères. La composition isotopique de ces animaux marins fossilisés microscopiques est en effet utilisée pour retracer la température qui régnait de leur vivant. Mais aujourd’hui, les scientifiques se demandent si ces mesures isotopiques ne seraient pas aussi altérées par les conditions subies après la mort des foraminifères. Au cours d’un projet avec le Prof. Anders Meibom et ses collègues, Lukas Baumgartner s’est ainsi lancé dans l’analyse de la fiabilité des résultats isotopiques. Avec elle, c’est toute notre vision de l’histoire de la Terre qui pourrait être chamboulée.
De toute évidence, une fois encore, pratiquer une expérience grandeur nature et observer les transformations des foraminifères sur plusieurs millions d’années est irréalisable. Comme alternative, pourquoi ne pas faire subir aux foraminifères des températures et des pressions très fortes, mais pendant un temps moins long ? Une expérience qui se déroule en somme dans un temps de chercheur, pas celui de foraminifères fossiles. Ensuite, il s’agit d’examiner les effets sur leur composition ; puis, d’extrapoler sur plusieurs milliers d’années ce qu’on observe en quelques heures. Cela fonctionne, car la loi de diffusion – qui décrit le changement de composition isotopique en fonction du temps – est proportionnelle à la température et la pression.
La clef de l’énigme dans le cristal
Les foraminifères sont notamment constitués d’une accumulation de cristaux de calcite à une échelle nanométrique. Pour élucider l’âge des foraminifères, on peut donc aussi interroger un cristal calcite (photo ci-dessous) de la même composition qu’eux. C’est ce dont Lukas Baumgartner et ses collègues discutent autour d’un café. L’équipe se demande quelles mesures de diffusion réaliser sur le cristal : selon quel angle ? Comment couper le cristal ? Et avec quelle précision ? Chacun de ces détails compte. Et la décision se fonde sur la littérature et les moyens techniques disponibles…
Comment manipuler des températures et des pressions si fortes ? Le Laboratoire hydrothermalpermet d’atteindre 2000 bars – la pression subie par les roches à 7 km sous la surface – et 800 °C ! Pour résister aux pressions les plus grandes, on utilise des tubes – appelés bombes – de stellite, qui résistent à l’explosion jusqu’à des températures de 850 °C sous pression. Un de ces tubes, brisé, est posé en évidence à côté de l’installation : il rappelle aux expérimentateur·trices que les manipulations à ces niveaux de pression et de température sont éminemment dangereuses et que le nom de ces tubes ne doit rien au hasard ! Ces tubes sont censés être quasi incassables, mais celui-ci a violemment explosé en refroidissant trop vite au contact de l’eau…
Dans les fours, les échantillons à étudier peuvent également être placés dans des mini-tubes d’or ou de platine : ces métaux réagissent peu et résistent à des températures allant jusqu’à 1560 °C.
Dans ce laboratoire, on peut aussi étudier la composition des minéraux et la réaction de l’eau portée à très haute température, afin de reconstituer les conditions de pression et de température subies par les roches métamorphiques. La composition des fluides est par exemple essentielle pour comprendre les interactions fluides-roches dans les systèmes géothermiques. La vitesse de diffusion des éléments est également déterminée ici : elle permet d’évaluer les températures et pressions critiques (dites constantes critiques), qui donnent une idée de la durée de stabilité des minéraux en fonction des conditions qu’ils traversent.
La visite s’arrête ici, et pour connaitre la suite, ou pour en savoir plus, suivez les résultats de l’équipe !
identifier les lacunes des connaissances actuelles concernant les processus hydrogéomorphologiques des bassins versants de montagne ;
susciter des synergies disciplinaires et de nouvelles approches liées au changement climatique notamment.
Plusieurs membres de la FGSE ont participé à ce séminaire organisé par Virginia Ruiz-Villanueva (professeure assistante à l’UNIL) et Filippo Catani (professeur à l’Université de Padoue).
Les risques liés aux bassins versants de montagne : un sujet complexe au cœur de l’actualité
Les risques hydrogéomorphologiques sont des processus complexes qui se déclinent souvent en cascade : ils interagissent les uns avec les autres dans une sorte d’effet de chaîne qui peut aboutir à des dommages conséquents. Par exemple un simple éboulement de terrain peut bloquer le flux d’une rivière, créant un lac susceptible de déborder et d’inonder toute une région. L’étude de tels processus est souvent fragmentée entre différentes disciplines (géomorphologie, géologie, hydrologie), ce qui entraîne une compréhension lacunaire de ces phénomènes inter-dépendants.
En outre, les risques liés aux bassins versants ont un impact socioéconomique non négligeable et seront probablement aggravés par les changements climatiques et environnementaux. Le Bureau des Nations Unies pour la réduction des risques de catastrophe a relevé en 2018, qu’à l’échelle mondiale, les inondations et les glissements de terrain ont représenté environ 70 % des pertes économiques dues aux risques naturels au cours de la période 1998-2017.
Une opportunité de créer des synergies de connaissances et compétences
Partant de ce constat, Virginia Ruiz-Villanueva (Institut des dynamiques de la surface terrestre, Université de Lausanne) et Filippo Catani (Département des géosciences, Université de Padoue) ont souhaité réunir des scientifiques aux expertises disciplinaires complémentaires dans divers domaines liés à l’hydrogéomorphologie. Bénéficiant du soutien du partenariat privilégié existant entre l’UNIL et l’Université de Padoue, Virginia et Filippo ont organisé un séminaire comprenant des conférences, des excursions sur le terrain et des ateliers de travail. Scientifiques jeunes comme expérimentés y ont eu l’opportunité d’échanger leurs connaissances et savoirs faire et d’interagir avec des professionnels non académiques, confrontés aux risques et à leurs impacts dans le cadre de leur activité.
Un bref aperçu du séminaire est présenté dans la vidéo ci-dessous, produite par le Département des géosciences de l’Université de Padoue :
Un bilan très positif
A l’issue du séminaire, les avis étaient unanimes sur le succès de cette rencontre, durant laquelle les principales questions concernant l’étude des risques et dangers naturels des bassins versants de montagne ont pu être identifiés. Des projets de recherche interinstitutionnels et multidisciplinaires pourront être initiés, afin de répondre à ces questions, par exemple en étendant la réflexion actuelle à de nouveaux paradigmes pour comprendre les rétroactions et interactions complexes entre les versants et les processus fluviaux. Une compréhension plus détaillée de la manière dont ces processus se produisent et quels dangers leur sont associés permettra d’améliorer la prévention et de minimiser les conséquences pour les populations concernées. Ceci est un enjeu particulièrement important face au changement climatique actuel.
Thèse en sciences de la Terre, soutenue le 27 octobre 2022 par Adrien Pantet, rattaché à l’Institut des sciences de la Terre (ISTE) de la FGSE.
Les Alpes pennines, situées dans la partie centrale de l’arc alpin, sont étudiées par les géologues depuis la fin du XIXe siècle. Leur structure géologique particulière permet d’exposer à l’affleurement à la fois les unités profondément enfouies lors de la collision alpine et celles ayant conservé une position plus superficielle. Pour ces raisons, les Alpes pennines constituent un cadre idéal pour l’étude des processus de collision continentale. Bien que la mise en évidence des structures géologiques à grande échelle et la délimitation des principales unités tectoniques datent de plus d’un siècle, des questions fondamentales concernant l’évolution tectonique du massif sont encore non résolues et controversées. Elles concernent notamment la position et la géométrie de premier ordre de certaines limites tectoniques majeures, ou les mécanismes responsables d’intercalations de niveaux de sédiments de marge continentale au sein de roches d’origine océanique.
Les principales questions abordées dans le cadre de ce travail concernent:
la position et la géométrie de la limite séparant les unités dérivées de la paléo-marge continentale européenne de celles dérivées du paléo-domaine océanique piémontais, en particulier la position de la limite séparant la nappe du Mont Fort de la nappe du Tsaté dans le secteur s’étendant entre le val de Bagnes et la région de Zermatt;
la nature des mécanismes responsables des intercalations de sédiments de marge continentale des unités des Cimes Blanches et du Frilihorn dans les Schistes Lustrés et les roches d’origine océanique.
L’étude repose principalement sur un travail d’observation sur le terrain incluant l’étude de la structure, de la stratigraphie et des contacts entre les unités, ainsi que le levé de cartes géologiques détaillées de secteurs clés. L’étude de terrain a été complétée par la construction de coupes géologiques, la compilation de cartes tectoniques et la modélisation géométrique 3D de la déformation. Des observations au microscope optique et par cathodoluminescence ainsi qu’une étude de la cristallinité du graphite par spectroscopie Raman ont également été réalisées.
Notre étude des contacts entre le socle de la nappe du Mont Fort et les sédiments mésozoïques de la Série d’Evolène et de la Série Rousse, permet de mettre en évidence la nature stratigraphique de ces deux contacts, actuellement interprétés comme des chevauchements alpins séparant des unités tectoniques distinctes. Nous montrons que les discordances caractérisant ces contacts résultent de l’existence de failles d’extension synsédimentaires d’âge jurassique plutôt que de contacts tectoniques alpins. Selon notre interprétation, l’ensemble formé de la Série d’Evolène et de la Série Rousse constitue la couverture sédimentaire autochtone de la nappe du Mont Fort. Le contact entre la Série Rousse et les Schistes Lustrés sus-jacents caractérisés par des intercalations de roches magmatiques d’origine océanique marque la limite tectonique majeure séparant les unités penniques moyennes, dérivées de la marge continentale européenne, des unités penniques supérieures, dérivées du bassin océanique piémontais. Une redéfinition de la nappe du Tsaté est proposée, excluant la Série Rousse et incorporant uniquement les unités de Schistes Lustrés d’origine océanique.
L’étude des unités des Cimes Blanches et du Frilihorn, dans la vallée de Zermatt, le Turtmanntal et le Valtournenche, permet de montrer que ces sédiments de marge continentale reposent stratigraphiquement sur le socle formant le pli de l’Alphubel à l’est de Zermatt. Ils sont surmontés, également stratigraphiquement, par des Schistes Lustrés de la Série Rousse dépourvus d’intercalations de roches d’origine océanique. Ces observations permettent de proposer un schéma tectonique nouveau, dans lequel les unités des Cimes Blanches et du Frilihorn, ainsi que le socle formant le pli de l’Alphubel, constituent la prolongation orientale de la nappe du Mont Fort, localement intercalée sous forme de plis extrêmement étirés au sein des unités d’origine océanique.
Ce travail permet de mieux contraindre la position des limites tectoniques étudiées et de proposer un modèle détaillé et cohérent pour expliquer les différentes étapes de mise en place des nappes constituant ce secteur des Alpes pennines.
En collaboration avec une équipe internationale, un chercheur de l’Institut des sciences de la Terre montre à quel point l’évolution des températures a été complexe au cours des derniers millénaires.
Samuel Jaccard, Institut des sciences de la Terre
Pour prédire l’avenir, nous nous appuyons sur des modèles climatiques. Mais réduire l’incertitude de ces modèles est délicat. Pour cela, nous avons besoin de données fiables sur de longues périodes. C’est pourquoi la connaissance de l’histoire climatique de la Terre depuis un lointain passé est inestimable : elle aide à nous projeter dans l’avenir. Or les changements de température moyenne à la surface de la Terre ces 12’000 dernières années (pendant l’époque interglaciaire actuelle, l’Holocène) sont sujets à débats. D’un côté, les simulations des modèles climatiques suggèrent un réchauffement continu depuis le début de l’Holocène. De l’autre, les reconstructions les plus documentées suggèrent que la température moyenne mondiale était maximum il y a environ 6000 ans, puis que la Terre s’est refroidie jusqu’au début de la crise climatique actuelle (à la révolution industrielle). Ce décalage majeur entre les modèles et les observations climatiques passées est appelé « l’énigme de la température de l’Holocène ».
Dans cette nouvelle étude, les scientifiques ont utilisé la plus grande base de données disponible de reconstructions de températures passées, remontant à 12’000 ans. L’équipe a examiné en particulier la répartition géographique des changements de température. Contrairement à ce que l’on pensait, il n’y a pas eu de période chaude synchronisée et mondiale pendant l’Holocène. Au contraire, les températures les plus chaudes sont observées à des moments différents selon les régions du monde. Elles varient également entre l’océan et le continent.
Selon l’auteur principal, Olivier Cartapanis, « les résultats remettent en question le paradigme d’un maximum thermique survenu au même moment dans le monde entier durant l’Holocène ». Alors que la température la plus chaude a été atteinte entre 4000 et 8000 ans en Europe occidentale et en Amérique du Nord, la température de surface de l’océan se refroidit depuis environ 10’000 ans aux latitudes moyennes et reste stable sous les tropiques… Le moment où la température maximale est atteinte varie donc dans l’espace. Ces résultats suggèrent que l’ensoleillement aux hautes latitudes et l’étendue des glaces ont joué un rôle majeur dans les changements climatiques tout au long de l’Holocène. Cela remet aussi en question la pertinence de la comparaison entre la reconstruction des moyennes mondiales et les simulations de modèles, au cœur de l’énigme de l’Holocène.
Pour Samuel Jaccard, professeur à l’Institut des sciences de la Terre, ces résultats mettent en lumière « une variabilité climatique plus nuancée avec de fortes disparités régionales au cours du temps. » Il estime que « la prise en considération de ces spécificités régionales devrait être une priorité pour le développement des modèles climatiques, afin de guider au mieux les mesures à prendre au plus vite, afin d’atténuer les conséquences du changement climatique ».
Ces nouveaux éléments fixent donc un objectif clair aux modèles climatiques. Leur capacité à prendre en compte les variations climatiques dans l’espace et dans le temps augmentera la fiabilité des projections sur les changements climatiques futurs.
Référence bibliographique
Cartapanis O., Jonkers L., Moffa-Sanchez P., Jaccard S. L., De Vernal A. Complex spatio-temporal structure of the Holocene Thermal Maximum. Nature Communications. doi.org/10.1038/s41467-022-33362-1
Thèse en géographie, soutenue le 13 octobre 2022 par Marie-Noëlle Decraene, rattaché à l’Institut des sciences de la Terre (ISTE) de la FGSE.
Comprendre l’apparition et le développement de la vie nécessite d’étudier des roches très anciennes, vieilles de plusieurs milliards d’années. Cette quête des origines de la vie est extrêmement difficile pour deux raisons:
les premières traces de vie sur Terre sont microbiennes, donc extrêmement petites,
ces roches ont une histoire complexe, impliquant des processus qui ont modifié leurs apparences et parfois leurs compositions chimiques initiales.
Heureusement, il existe encore sur Terre des roches sédimentaires laminées formées grâce à l’activité d’organismes microbiens. Ces dernières sont appelées stromatolites. Certains stromatolites sont reconnus depuis l’Archéen, soit il y a près de 3.5 Ga (pour le plus vieux spécimen découvert à ce jour), alors que d’autres sont toujours en cours de formation, par exemple dans les milieux marins peu profonds des Bahamas, de la Baie des Requins en Australie ou dans certains lacs volcaniques mexicains.
Reconnaître l’origine biologique (biogénicité) de ces stromatolites anciens est un défi pour la communauté scientifique puisqu’ils ne préservent a priori pas de microorganismes fossilisés. De plus, la structure laminée qui les rend facilement reconnaissable ne peut pas être utilisée seule comme critère de biogénicité, puisque qu’elle peut également résulter de procédés abiotiques (absence d’organismes vivants). Toutefois, les stromatolites contiennent des sulfures de fer (FeS2) micrométriques, connus sous le nom de pyrite. L’intérêt de ces pyrites réside dans leur potentiel d’enregistrer des processus de respiration microbienne à travers leurs compositions isotopiques en fer et/ou en soufre. En effet, les microorganismes ont tendance à mieux assimiler les isotopes légers (54Fe ou 32S) par rapport aux isotopes lourds (56Fe ou 34S), entrainant des différences de masse spécifiques aux différents processus microbiens. Comme le fer est un élément sensible aux réactions d’oxydation et de réduction (réactions redox), la géochimie du fer est couramment utilisée pour tracer des changements redox de l’environnement et/ou l’activité microbienne.
Cette thèse se propose d’explorer la variabilité de la composition isotopique du fer des pyrites présents dans les stromatolites à différentes périodes géologiques, afin de déterminer :
si les pyrites peuvent être utilisées comme biosignatures,
l’influence et l’évolution des métabolismes microbiens utilisant le fer dans des environnements différents,
la capacité des compositions isotopiques en fer à renseigner des changements redox globaux comme l’oxygénation de l’atmosphère il y a 2.4 Ga et/ou des variations de l’oxygénation de l’océan pendant des crises d’extinction des espèces (exemple avec la crise du Smithien-Spathien).
Pour répondre à ces questions, une comparaison d’échantillons anciens archéens (Formation de Tumbiana, 2.7 Ga) et phanérozoiques (bassin de Sonoma, 251 Ma) a été réalisée avec des microbialites modernes provenant de Cayo Coco (Cuba) et du lac Atexcac (Mexique). Dans toutes ces formations, les pyrites ont enregistré une très grande variabilité des compositions isotopiques du fer. Dans les microbialites modernes, les compositions isotopiques du fer reflètent des processus de réduction des oxydes de fer contrôlés par des microorganismes ferri-réducteurs indépendant des conditions chimiques de l’environnement. Les compositions isotopiques mesurées dans les sédiments du Phanérozoïque montrent un contrôle de l’environnement de dépôt (degré de ventilation du sédiment) et de la nature des dépôts (i.e., différentes signatures selon la présence ou l’absence des dépôts microbiens).
Dans les échantillons archéens, la large gamme isotopique mesurée est interprétée comme résultant de procédés d’oxydation et de réduction complexes, contrôlés par l’activité de microorganismes. Cette thèse démontre l’importance de processus locaux dans la formation des pyrites préservées dans les stromatolites, comme l’influence de gradient redox à l’échelle du sédiment ou du biofilm et des différents métabolismes microbiens qui composent le biofilm. Ainsi, les pyrites associées à ces dépôts microbiens ne semblent pas permettre de reconstruire les signatures de l’environnement global. En revanche, ces pyrites peuvent être utilisées comme des biosignatures, à conditions de mener des études détaillées combinant l’isotopie du Fe, du S et minéralogie.
