La cyclostratigraphie est une méthode particulière de stratigraphie, discipline des sciences de la Terre qui étudie la succession des différentes couches géologiques ou strates. La cyclostratigraphie est une discipline intégrée qui exploite des résultats issus notamment de l'astronomie, de la climatologie ainsi que diverses techniques mathématiques.
La cyclostratigraphie s'appuie sur la théorie astronomique des paléoclimats, qui stipule que, pour partie, les variations climatiques sont liées à des processus astronomiques cycliques largement prédictibles. Elle permet d'analyser les cycles sédimentaires au sens large, du fait du « forçage climatique » via la précession, l'obliquité et l'excentricité. Cette analyse s'opère au travers dindicateurs climatiques (proxies) échantillonnés dans les dépôts stratifiés.
L'objectif principal de la cyclostratigraphie était initialement l'estimation de durées, une tâche d'autant plus difficile que les terrains étudiés sont anciens et altérés, ce qui dégrade la qualité de l’échantillonnage des proxies. L'étude des séries récentes et bien conservées du Quaternaire a permis les premiers résultats, mais les temps anté-quaternaires sont désormais étudiés avec succès. La cyclostratigraphie offre ainsi la possibilité de valider et d'affiner l'échelle des temps géologiques. Par ailleurs, il est possible de faire des interprétations paléoclimatiques des résultats.
Si la cyclostratigraphie en tant que méthodologie et applicationsPour la théorie astronomique des paléoclimats en tant que paradigme en sciences de la Terre, voir Thomas Samuel Kuhn. est une branche récente de la stratigraphie, ses fondements théoriques remontent en fait aux débuts du . Très tôt s'est posée la question de l'origine des apparentes cyclicités sédimentaires observées à l'affleurement, dans les formations marno-calcaires. Les cycles de courtes périodes pouvaient intuitivement être rattachés à des phénomènes classiques en sciences de la Terre, tels que les oscillations tidales ou l'alternance des saisons (varves) ; mais d'une part cette corrélation n'était pas triviale, d'autre part les cycles de plus longue période ne pouvaient être expliqués ainsi et devaient donc nécessairement résulter d'un paramétrage d'un genre différent, et inconnu. Rapidement, les variations climatiques sont pointées du doigt et confrontées aux cycles sédimentaires, mais les preuves d'une relation causale manquent. Par ailleurs, la question de l'origine de la variabilité climatique restait ouverte : pourquoi et dans quelle proportion le climat général de la Terre a-t-il évolué et évolue-t-il ? Ces variations sont-elles cycliques et, si oui, dans quelle mesure affectent-elles la sédimentation ?
Les cyclicités recherchées
La cyclostratigraphie s'est développée en lien avec l'analyse de séries sédimentaires. Le processus de sédimentation est complexe, mais il présente tout de même des caractéristiques générales exploitables par les différentes approches de la stratigraphie, dont la cyclostratigraphie. Quel que soit le mode de sédimentation (continentale, marine ou lacustre), l'énergie solaire et la gravité conditionnent en effet la mise en place de la pellicule de sédiments qui subira pendant et après son dépôt des actions diagénétiques, pour in fine devenir une roche sédimentaireCharles Pomerol, Yves Lagabrielle, et Maurice Renard, Éléments de géologie, Les enveloppes fluides de la planète Terre : climat, paléoclimats, océanographie, Dunod, 2005, , . Les altérations diagénétiques internes à la roche en devenir peuvent détruire ou au contraire souligner des particularités environnementales, acquises lors de la sédimentation puis héritées dans la lithologie. Ces particularités reflètent entre autres les conditions externes de mise en place de la roche, parmi lesquelles, le climat. La cyclostratigraphie se propose d'étendre le champ classique de la lithostratigraphie, basée sur des corrélations de faciès lithologiques, en ajoutant l'analyse et la quantification de cycles au sein de ces faciès.
Le simple fait de retrouver des variations visuelles et matérielles nettement cycliques, qui semblent presque « artificielles », dans les séries sédimentaires, est l'indice d'un forçage cyclique du processus de sédimentation. Il faut alors déterminer quel genre de cyclicité peut avoir exercé une influence aussi majeure sur l'environnement de dépôt. Certains processus sont caractérisés par des autocycles, ie. des variations régulières propres au mode sédimentaire (internes, endogènes) ; c'est le cas par exemple des courants de turbidité, un phénomène endogène au dépôt côtier mais propre à celui-ci. Les cyclicités relevant d'un forçage externe sont quant à elles qualifiées d'''allocyclicités. Elles mettent en jeu un phénomène exogène dont le signal sera plus ou moins déformé, atténué ou amplifié par le mode de dépôt. Les travaux les plus récents tendent à montrer que cette distinction, quoique pertinente, est d'ailleurs peut-être simplificatrice : en effet, les processus cycliques « internes » ou « externes » interviennent conjointementHolbrook J. M., Willis B. J. et Bhattacharya J, The evolution of allocyclicity and autocyclicity as sedimentary concepts, AAPG Annual Convention, 2003 et peuvent générer des signaux mixtes dans les roches.
Une fois que le caractère cyclique d'un enregistrement sédimentaire a été mis en évidence par des analyses chimico-physiques, l'enjeu est double : il faut déterminer si un phénomène externe (allocyclicité) a influencé la sédimentation au point qu'il devienne un trait dominant de la lithologie ; puis, il faut déterminer la nature exacte de ce phénomène. Il est également nécessaire de vérifier que l'enregistrement sédimentaire est significatif en termes de durées, c'est-à-dire que le dépôt est continu et non altéré diagénétiquement. Pour apporter une réponse à ces questions, la cyclostratigraphie peut chercher à vérifier l'existence et la nature d'une corrélation entre les cycles sédimentaires d'une part, et les cycles climatiques d'autre part, ce qui constitue une double réponse (l'existence d'une corrélation étant tributaire de la continuité et de l'homogénéité de la série sédimentaire).
Cycles climatiques
Le climat est paramétré en grande partie par l'insolation, c'est-à-dire par la quantité d'énergie reçue du Soleil. La variation de température entre le jour et la nuit constitue un exemple frappant de l'influence de l'énergie solaire sur le climat terrestre, à court terme cependant. La source radiative solaire est considérée de puissance constante, mais le positionnement de la Terre par rapport au Soleil varie selon plusieurs facteurs périodiques. L'insolation est donc affectée de cycles, essentiellement en raison de trois paramètres orbitaux.
Excentricité
Elle quantifie l'écart à une orbite circulaire. Dans le cas de la Terre, l'orbite de révolution autour du Soleil varie entre un quasi-cercle (excentricité de 0,005) et une ellipse moyenne (excentricité de 0.058), du fait des interactions gravitationnelles avec les autres corps célestes du système solaire --- principalement les planètes géantes Jupiter et Saturne. La valeur actuelle de l'excentricité est e = 0,017NASA, Earth Fact Sheet d'avril 2007. Elle permet de calculer les distances Terre-Soleil à l'aphélie (distance maximale) et à la périhélie (distance minimale) selon les formules et respectivement, où est la longueur du demi-grand axe de l'orbite (un invariant déduit de la période orbitale par la troisième loi de Kepler) et l'excentricité.
La variation de distance entre périhélie et aphélie suit une période principale de ans environ, et une secondaire de ans environ. On montre par ailleurs que, pour une excentricité donnée, la différence d'énergie radiative reçue du Soleil par la Terre entre ces deux positions est égale à quatre fois l'excentricité du momentAndré Berger et Marie-France Loutre, Théorie astronomique des paléoclimats, C. R. Geosci., 2004, vol. 336:701–709.. Actuellement, cet écart vaut donc environ 6,8 % pour une excentricité de 0.0167. Couplée aux variations de vitesses lors de la révolution (d'après la seconde loi de Kepler), elle peut avoir une incidence la durée théorique des saisons, mais son principal effet est de moduler l'amplitude de la précession.
Obliquité
Elle quantifie l'écart de l'axe de rotation à la normale du plan orbital d'un corps céleste. Pour la Terre, dont le plan orbital est celui de l'écliptique, il s'agit de l'angle formé par l'axe de rotation et un axe perpendiculaire au plan de l'écliptique. L'obliquité actuelle est proche de ⍵ = 23°27', les bornes étant fixées autour de 22° à 25° selon une cyclicité de ans environ. Ce paramètre est celui qui influence en priorité les saisons : lorsque l'obliquité est élevée, les différences climatiques entre été et hiver sont fortes, les effets étant plus marqués aux latitudes élevéesRöhl U., Ogg J. G., Geib T. L. et Wefer G., Western North Atlantic Paleogene and Cretaceous Paleoceanography, vol. 183, Astronomical calibration of the Danian time scale, édité par Norris R. D., Kroon D. et Klaus A., 163–183, Geologic Society of London, Special Publication, 2001.
Précession
Le phénomène d'obliquité est couplé à la rotation de la Terre et induit une précession, qui correspond à la révolution de l'axe de rotation incliné (obliquité) autour de la normale au plan orbital. Une toupie en fin de rotation possède un mouvement similaire, sans la composante rotationnelle (précession pure). Il en résulte une variation cyclique de l'orientation de l'axe de rotation par rapport au Soleil : si on pose pour simplifier que l'écart angulaire à la verticale est toujours égal une valeur d'obliquité constante, la direction de cet angle constant dans l'espace varie. Dans les faits, les périodes d'obliquité et de précession sont trop proches pour prendre une obliquité constante. Par ailleurs, la précession terrestre est doublement paramétrée. Du fait de sa rotation propre, la Terre n'est pas une sphère parfaite mais connaît un renflement équatorial. Sous l'influence des forces de marée produites par le Soleil et la Lune principalement, cet excès de masse tend à revenir au plan de l'écliptique, c'est-à-dire qu'il joue contre l'obliquité. Ce phénomène induit une seconde précession, dite orbitale ou lunisolaire, qui s'ajoute à la précession propre de la Terre. Comme la précession orbitale se fait dans le sens contraire de la rotation gyroscopique de la Terre sur son axe, le cycle complet a une période moyenne d'environ ans, décomposée en deux cyclicités principales de et ans.
Autres cycles
Les variations du climat sont pour partie seulement tributaires des « cycles climatiques », qui sont des déterminants orbitaux exogènes. On se souviendra notamment que les développements théoriques ont souligné le rôle de rétroactions au sein du système Terre. Si l'énergie reçue de l'espace — et du Soleil en particulier — « au sommet de l'atmosphère » est bien connue, celle reçue en surface des océans et des continents — c'est-à-dire en dessous de l'atmosphère dense — dépend de nombre de phénomènes internes. Le bilan énergétique est par conséquent dépendant du paramétrage climatique propre à la Terre. Concernant les paramètres internes, les variations dans l'efficacité de la réflexion, par déplacement et croissance des surfaces à fort albédo, le développement de la couverture nuageuse, les modifications dans l'activité des courants marins et aériens ou encore le déplacement relatif des zones sèches et humides influencent le climat, « pré-paramétré » à grande échelle par les variants orbitauxMayer H. et Appel E., Milankovitch cyclicity and rock-magnetic signatures of palaeoclimatic change in the Early Cretaceous Biancone Formation of the Southern Alps, Italy, Cretaceous Researches, vol. 20:189–214, 1999.