The Svalbard – Barents Sea ice-sheet – Historical, current and future perspectives

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Pour citer cet article :
Ingólfsson, Ó., & Landvik, J. Y. (2013). The Svalbard–Barents Sea ice-sheet–Historical, current and future perspectives. Quaternary Science Reviews, 64, 33-60.

La calotte de la mer de Barents-Svalbard - Histoire, connaissances actuelles et perspectives futures

Quaternary Science Reviews, Volume 64, pp 33-60, 2013

Ingólfsson O. & Landvik J. Y.

http://dx.doi.org/10.1016/j.quascirev.2012.11.034

Résumé

L'histoire de la recherche sur les calottes du Quaternaire supérieur de la mer de Barents et Svalbard reflète le développement des idées et l'alternance des paradigmes des théories glaciaires des derniers 150 ans.

Depuis le début du XIXe siècle, Svalbard a été un laboratoire de test pour les idées et les concepts concernant les théories glaciaires des années 1870. Depuis les années 1980, notre façon de voir et de comprendre le fonctionnement des calottes polaires et notamment de la calotte de Svalbard et Barents, a fortement évolué.

Maintenant, nous percevons les calottes comme étant très dynamiques, multidômées, contrôlées par :

1. les fluctuations climatiques,
2. les changements de niveaux marin relatifs,
3. ou encore par la topographie subglaciaire,
4. les propriétés du substrat
5. et la température basale.

De fait, la calotte de la mer de Barents et Svalbard est une clé pour comprendre la dynamique et les processus de construction et de débâcle des calottes à base marine.

 Introduction

L'archipel de Svalbard a joué un rôle important dans le développement des théories glaciaires pour trois raisons principales :

1. Premièrement :

• Les conditions y sont similaires à celles de l'Arctique,
• Il y a de nombreuses calottes glaciaires de petites et grandes tailles,
• Cela a été, depuis la moitié du XIXe siècle, un laboratoire naturel pour les observations des processus glaciaires et de leurs produits.

Ainsi, Svalbard a servi d'analogue à l'interprétation des paysages, des dépôts et de la dynamique des glaciers et des calottes à des latitudes plus basses (Holmström, 1865, Boulton et al., 1999).

2. Deuxièmement :

La calotte à base marine de la mer de Barents et Svalbard (SBIS : Svalbard-Barents sea Ice Sheet) a grossi et s'est désintégrée à plusieurs reprises entre le dernier glaciaire et l'interglaciaire actuel. 

L'étude de cette évolution au cours du temps contribue fortement à notre compréhension de la dynamique, des cycles de rétroactions, et des interactions dans le système océan-calotte (Hald et al., 2001; Spielhagen et al., 2004).

3. Troisièmement :

Les études sur l'histoire de la SBIS ont permis de déterminer les conditions limites pour les modèles numériques des calottes à base marine où les anciennes épaisseurs sont modélisées et où les calculs sont faits sur la base de processus dépendants du temps comme la production d'eau de fonte et des icebergs (Elverhøi et al., 1993 ; Lambeck, 1995, 1996 ; Landvik et al., 1998 ; Siegert et al., 2001 ; Siegert and Dowdeswell, 2004 ; Kirchner et al., 2011)

En conséquences, l'objectif de cet article est de reprendre les concepts et les idées de l'histoire de la calotte de la mer de Barents et Svalbard (Figure 1).

Les premières années - Svalbard et la théorie des âges glaciaires

La théorie d'Agassiz des âges de glace

Louis Agassiz (1801-1873) est le premier a systématiquement collecter et présenter des données suggérant que les latitudes tempérées de l'hémisphère nord ont été sujettes à des glaciers très étendus (Agassiz, 1840). Il n'est cependant pas le premier à évoquer cette idée, ni même à parler d'Âge de Glace. Le premier à le faire fut Pierre Martel (1706-1767), près d'un siècle plus tôt, après un séjour passé dans les Alpes à observer des blocs erratiques et autres traces du passage de glaciers dans des temps reculés (Martell, 1744).

Le poète germanique et naturaliste Johann Wolfgang Goethe (1749-1832) écrit également, vers 1830, des références à des occurrences de blocs erratiques granitiques au nord des Alpes. Il décrit ces blocs comme ayant été transportés par les glaciers et déposés pendant leur fonte durant une "période de grand froid". 

William Buckland (1784-1856), en 1831, présente des discussions portant sur les "régions boréales de la Terre qui semblent avoir subit des changements successifs de chauf à froid". Il accompagne notamment Agassiz en Écosse où ils découvrent des traces évidentes du passage d'ancien glaciers sur les hautes terres écossaises.

Ils présentent leurs découvertes et leur théorie de l'Âge de Glace durant trois congrès successifs de la Geological Society of London (Société Géologique de Londres) en novembre et décembre 1840 (Buckland, 1840 ; Boylan, 1998). Les réactions à cette théorie sont alors mitigées, bien que globalement négatives, voire hostiles.

Charles Lyell (1797-1875) accepte la possibilité que certains blocs erratiques aient été déposés par des glaciers un peu plus gros à une certaine époque en Écosse, mais il rejette totalement l'idée d'un Âge de Glace, affirmant que les dépôts et blocs interprétés par Agassiz et consors comme les restes d'avancées glaciaires ne sont en réalité que le fruit d'anciens dépôts de glace de mer (la théorie de la grande inondation est dominante à l'époque). 

Murchison, un géologue de la Geological Society of London, est un fervent détracteur d'Agassiz. En 1842, il publie un article démontant les arguments d'un potentiel Âge de Glace. Mais en 1862, soit 20 ans plus tard, finalement convaincu par les arguments d'Agassiz, il publie dans le journal de la Geological Society of London une lettre d'excuse à Agassiz concernant son déni de la validité des arguments de la théorie de l'Âge de Glace (Agassiz, 1885).

Note de ©Terres du Passé : À cette époque, le monde changeait vite, les grands penseurs remettaient en cause les connaissances établies depuis des siècles par la religion, et ce dans toutes les disciplines des sciences. Encore aujourd'hui, il faut du temps pour accepter de changer de paradigme d'idées. Ce fut le cas pour Agassiz et sa théorie. Il fallut du temps mais finalement, les scientifiques et penseurs finirent par accepter les arguments à mesure que les données devenaient de plus en plus éloquentes et difficiles à démonter. C'est ainsi que la Science progresse.

Ce n'est donc que vers les années 1870 que l'idée d'un Âge de Glace est globalement acceptée par la communauté scientifique.

La théorie glaciaire en Scandinavie durant la première moitié du XIXe siècle

Jens Esmark (1763-1839) décrit de nombreuses structures et marques visibles dans les paysages (que nous associons aujourd'hui à des actions de glaciers) et publie dès 1824 un article dans lequel il discute la possibilité d'une série de glaciations globales dans le passée (Esmark, 1824). Il suggère que la glaciation aurait été causée par un refroidissement climatique, lui-même issu d'un changement dans la géométrie orbitale de la Terre.

Pourtant, ce n'est qu'avec les publications de James Croll (1821-1890) qu'un lien entre la géométrie orbitale et les glaciations a pu être établi.

Svalbard - un lieu pour les recherches glaciaires

La première expédition pour Svalbard a lieu en 1837 par Sven Lovén (1809-1895), un jeune zoologiste suédois qui fait ce voyage sur des fonds privés.

Lovén observe les payasages et les glaciers de Svalbard. Il ramène divers mollusques de cette expédition afin de les étudier. Après son retour et après les avoir comparé aux fossiles de la mer Baltique, il conclut que le climat de la péninsule scandinave doit avoir été plus froid par le passé. Il suppose un climat et une glaciation comparables à ce qui se trouve au Spitzberg et au Groenland à son époque (Lovén, 1839, 1846). Ainsi, il devient un fervent soutien de la théorie de l'Âge de Glace d'Agassiz.

Entre 1838 et 1840 l'expédition française La Recheche part pour Svalbard. Cette mission a cela de remarquable qu'elle est interdisciplinaire et internationale : des suédois, des norvégiens, des danois et des français y participent. Des artistes accompagnent également les scientifiques, afin de faire des illustrations des paysages et des résultats des travaux de recherche.

Durant cette mission, Auguste Bravais (1811-1863) remarque que le rivage est à une altitude plus élevée au niveau de la tête des fjords par rapport à la côte extérieure. Pour lui, cela signifie un uplift (une élévation, une remontée) plus important des terres autour du centre de Svalbard.

Charles F. Martins (1806-1889) est également un soutien pour la théorie de l'Âge de Glace par son travail sur l'observation et la description des calottes de Spitzberg par rapport à celles de Scandinavie.

Otto Martin Torell voyage à Svalbard et se convertit à la théorie d'Agassiz de l'Âge de Glace

Otto Martin Torell (1828-1900) est l'un des contributeurs les plus fondamentaux pour l'acceptation de la théorie de l'Âge de Glace d'Agassiz, au moins en Europe. Bien qu'ayant fait des études de médecine (qu'il termine en 1858), il se tourne progressivement vers la zoologie et la géologie. Héritier reposant sur une fortune conséquente, il peut se permettre de se consacrer à la science.

Il trouve un fossile de mollusque Arctique (Yoldia arctica, aujourd'hui appelé Portlandia arctica) dans des sédiments marins le long de la côte ouest de la Suède. À cette époque, il y a trois théories qui permettent d'expliquer la présence de fossiles arctiques dans les régions scandinaves, mais aussi la présence d'eskers, de stries glaciaires, etc. :

1. La théorie de la dérive de Lyell,
2. La théorie de l'inondation de Sefström,
3. Et la théorie de l'Âge de Glace d'Agassiz.

Afin de déterminer laquelle de ces trois théories a le plus de poids, Torell décide d'étudier lui-même les glaciers européen et les produits de l'activité glaciaire. Il parcourt ainsi les Alpes, l'Islande, la Norvège, Svalbard, et le Groenland.

À la suite de ses voyages, il fait une lecture en 1864 (Torell, 1873) dans laquelle il réfute la théorie de Lyell et explique que tous les blocs erratiques et autres traces glaciaires identifiées non seulement en Scandinavie, mais aussi en Russie, en Allemagne et dans les pays avoisinants ne peuvent trouver leur explication que par l'existence d'une calotte glaciaire immense présente en Scandinavie : la calotte Fennonscandie (Figure 2). Il ajoute que les directions des stries glaciaires et des blocs erratiques indiquent 5 sens d'écoulements majeurs de glace se divisant depuis les montagnes scandinaves (Torell, 1878).

Ses travaux permettent de faire évoluer la pensée des géologues de l'époque. C'est un véritable changement de paradigme qui se produit en 1875 avec le passage de la théorie de Lyell à celle d'Agassiz.

Preuves indirectes - La calotte de la mer de Barents et Svalbard mise en avant par les empreintes isostatiques

Les isobathes montrent clairement un rebond isostatique en réponse au transfert glaciaire vers le centre de la mer de Barents (Figure 3). Mercer (1970) suggère qu'il y a des preuves d'une calotte de glace ayant râclé le fond de la mer de Barents durant le dernier maximum glaciaire (Last Glacial Maximum, LGM).

Le débat pour savoir quelle était la superfie de la SBIS durant le LGM dure depuis les années 1990 (Rutter, 1995 ; Grosswald & Hughes, 2002). Ce débat témoigne du manque de données bien datées, aussi bien terrestres que sous-marines.

Mangerud & Svendsen (1992) et Mangerud et al. (1998) ont montré que les sédiments du dernier cycle glaciaire-interglaciaire se caractérisent par une succession de tills recouverts d'une séquence granocroissante de sédiments marins à littoraux. Cela témoigne d'une élévation glacio-isostatique et d'une régression marine après la déglaciation.

De grands éventailles sous-marins ont été découverts le long de la marge norvégienne : les Trough Mouth Fans, TMF (Figure 4). Ils sont interprétés comme étant des éventails de sédiments nourris par les glaciers et s'étant accumulés durant les glaciations multiples du Pléistocène moyen à supérieur (Vorren et al., 1989, 1998 ; Laberg & Vorren, 1995, 1996; Andersen et al., 1996; Solheim et al., 1996 ; Vorren & Laberg, 1997). 

Chronologie de la SBIS

 Le programme de recherche scientifique PONAM (Polar North Atantic Margin: Late Cenozoic Evolution = Marges polaires nord-Atlantique : évolution du Cénozoïque supérieur) a commencé au début des années 1990. Les résultats ont été largement présentés dans plusieurs articles, dont les travaux de Mangerud et al. (1998) et Hebbeln et al. (1998).

En bref, la SBIS a connu une très large extension durant la glaciation du Saalien, soit durant le MIS 6, suivi d'une déglaciation avec une sédimentation marine à littorale durant l'interglaciaire Eémien (MIS 5e) (Figure 5).  Les trois glaciations du Weichsélien ont atteint le rebord de plateforme continentale à l'ouest de Svalbard durant le MIS 5d (110 ka BP), MIS 4 (70-50 ka BP) et le MIS 2 (20 ka BP).

Les enregistrements montrent également deux interstadiaires, le Phantomodden (MIS 5c-5a, entre 105 et 75 ka BP) et l'interstadiaire Kapp Ekholm (MIS 3, entre 50 et 28 ka BP).

Les limites d'extension maximales de la calotte eurasienne durant le Quaternaire supérieur pourraient se résumer en quatre temps :

1. >140 ka BP : le Saalien supérieur ;
2. 100-80 ka BP : le Weichsélien inférieur, avec le maximum d'extension pour la SBIS vers 90-80 ka BP ;
3. 60-50 ka BP : le Weichsélien moyen ;
4. 25-15 ka BP : le Weichsélien supérieur.

L'extension de la calotte glaciaire dans la partie est de Barents est devenue progressivement plus petite durant chaque glaciation du Weichsélien.

La figure 6, issue des travaux de Svendsen et al. (2004) et Larsen et al. (2006a) permet d'illustrer l'évolution de la calotte :

Figure 6 : Extension de la calotte eurasienne à 6 périodes de temps, durant le dernier cycle glaciaire-interglaciaire (Ingólfsson & Landvik, 2013).

Les figures 7, 8, 9 et 10 présentent un modèle conceptuel de construction de la calotte de la mer de Barents et Svalbard (SBIS) :

Il y a 30 ka BP, la SBIS n'est pas encore construite. Les conditions interglaciaires se dégradent vers une période glaciaire. Les précipitations sont nombreuses et le niveau marin est à peu près équivalent au niveau marin actuel. La mer de Barents est libre de glace.

Figure 7 : Représentation de l'environnement entre Svalbard et la Scandinavie 30 ka BP (modifiée d'après Ingólfsson & Landvik 2013 et Siegert et al., 2002).

28 ka BP, les températures atmosphériques diminuent fortement, la surface de la mer de Barents se refroidit et commence à geler. Les précipitations sont neigeuses. La neige commence à s'accumuler à la surface de la mer de Barents et à former des glaciers sur les terres adjacentes. Le piégeage de grands volumes d'eau sous forme solide sur les terres émergées fait baisser le niveau marin.

Figure 8 : Représentation de l'environnement entre Svalbard et la Scandinavie 28 ka BP (modifiée d'après Ingólfsson & Landvik 2013 et Siegert et al., 2002).

25 ka BP, la mer de Barents est totalement recouverte et presque entièrement gelée. La masse de la calotte écrase Svalbard et la Scandinavie qui s'enfoncent par isostasie. La ride intermédiaire entre les deux s'élève à l'inverse et la glace s'écoule de part et d'autre. Les précipitations neigeuses continuent et la calotte SBIS continue de grossir. Le niveau marin eustatique continue de diminuer par le piégeage d'eau sous forme de glace dans la calotte.

 

Figure 9 : Représentation de l'environnement entre Svalbard et la Scandinavie 25 ka BP (modifiée d'après Ingólfsson & Landvik 2013 et Siegert et al., 2002).

22 ka BP, le maximum glaciaire est atteint, la calotte SBIS atteint son maximum d'extention. La mer de Barents est entièrement gelée et des sédiments glaicaires s'accumulent sur le fond. Le niveau marin eustatique est descendu à -120 m par rapport au niveau marin actuel.

 

Figure 10 : Représentation de l'environnement entre Svalbard et la Scandinavie 22 ka BP (modifiée d'après Ingólfsson & Landvik 2013 et Siegert et al., 2002).

 Cette évolution est un modèle conceptuel, d'autres modèles existent et proposent des évolutions légèrement différentes. 

Entre la fin des années 1980 et celle des années 1990, deux écoles se sont affrontées : les minimalistes et les maximalistes. Les minimalistes basaient leurs reconstructions sur l'absence de dépôts glaciaires apparents durant le LGM, associée à la préservation des sédiments, des sols et des paysages pré-LGM sur de nombreux sites de la côte ouest de Svalvard.

Les maximalistes envisageaient une calottes très étendue, avec des zones d'écoulement rapide de la glace, appelées des icestreams, et des zones intérieures, entre ces icestreams, avec très peu d'activité et de mouvement.

Vers la fin des années 1990, un large consensus émerge : les données géologiques marines suggèrent que les glaciers du Weichsélien supérieur ont rempli les fjords majeurs et au moins certaines parties de la plateforme peu profonde à l'ouest de Svalbard (Landvik et al., 1998).

Houmark-Nielsen & Funder (1999) suggèrent alors que si les icestreams s'écoulaient effectivement sur la plateforme, les zones côtières entre ces zones d'écoulement rapide devaient être globalement libres de glace (Figure 11).

Par de nouvelles preuves, notamment des transects sismiques, Landvik et al. (2005) réalisent des modèles similaires à ceux de Houmark-Nielsen & Funder (1999), mais cette fois en proposant une calotte recouvrant les zone côtières entre les icestreams (Figure 12). Ainsi, Landvik et al. (2005) suggère qu'il y a des icestreams actifs et des zones inter-icestreams moins actives.

Dans un premier temps, le modèle conceptuel des calottes de l'hémisphère nord proposait un seul dôme s'étendant depuis une zone centrale relativement stable et se divisant vers les zones de plateformes extérieures. Finalement, un modèle collant mieux aux données géologiques et marines se compose d'une calotte plus fine, constituée de plusieurs dômes avec un système glaciaire dynamique.

 

 Données géomorphologiques

Ottesen et al. (2005, 2007) et Ottesen & Dowdeswell (2009) ont identifié des linéations glaciaires de grande échelle dans les troughs (les creux formés par les icestreams) interprétées comme étant une déformation des sédiments meubles à la base des icestreams à écoulement rapide drainant la SBIS (Figure 13).

Ils ont identifés un assemblage de sédiments et de landforms (paysages du sol) pouvant être utilisés pour carctériser l'écoulement et la dynamique de la dernière calotte de Svalbard.

Ils ont également distingué des assemblages de landforms typiques des icestreams et d'autres typiques des zones inter-icestreams.

 

 

 Les différents types de linéations subglaciaires sont représentés dans la figure 14.

La question de savoir si la calotte a été multidômée ou non reste à résoudre. Les données et directions d'écoulements de la glace indiquent clairement des zones centrales de calottes sur plusieurs endroits. Mais le problème des âges se pose : est-ce que tous ces dômes se sont développés en même temps ou bien se sont-ils formés à des moments différents ?

Les linéations produites dans des sédiments tendres peuvent suggérer un âge assez récent. Le fait que ces sédiments ne soient pas indurés signifie que si une autre calotte, plus récente, était venue les recouvrir, elle aurait de nouveau déformés ces sédiments.

Les données peuvent donc suggérer aussi bien une SBIS multidômée qu'une calotte caractérisée par des shifts spatiaux et temporels de dômes de glace durant ses phases de croissance et de déstruction de calotte.

Perspectives futures

Notre compréhension de la SBIS du Weichsélien supérieur est le fruit d'un long travail de réflexion au cours des derniers 150 ans. Les concepts, les idées, les théories glaciaires ont évolué et des paradigmes ont été changés sur cette période de temps.

La SBIS peut être étudiée comme un analogue de la calotte ouest de l'Antarctique. Mieux comprendre son évolution passée permettra de mieux envisager l'évolution de l'ouest de l'Antarctique, mais aussi l'évolution possible de la calotte groenlandaise.

Améliorer nos connaissances des réactions de la SBIS aux changements d'insolation, au réchauffement climatique passé et à l'élévation du niveau des mers durant les périodes de déglaciation rapide nous permettra de faire avancer la connaissance et les théories glaicaires, mais aussi de mieux comprendre l'anatomie et la dynamique des calottes actuelles.