Depuis la formation de la Terre, il y a 4,5 milliards d'années, il est évident que les conditions à sa surface ont varié de nombreuses fois. En effet, la proportion en gaz à effet de serre, l'ensoleillement(1) de la planète, l'albédo, etc. ont nécessairement évolué au cours du temps.

Par ailleurs, notre planète est la seule à posséder de l'eau en grande quantité et dans une gamme de pression et de température proche du point triple, c'est-à-dire permettant la juxtaposition des trois états de l'eau à sa surface : liquide, solide et gazeux (Figure 1). Ainsi, des variations relativement faibles des températures et/ou de la pression permettent le développement préférentiel de l'un ou de l'autre des états.
Figure 1 à droite : diagramme pression/température de l'eau et la situation des planètes Vénus, Terre et Mars dans celui-ci (Van Vliet-Lanoë, 2005)

La glace sur Terre : la situation actuelle

L'eau sous forme solide, la glace, est actuellement très développée sur Terre et représente 98% des réserves d'eau douce de la planète. Ainsi, une telle quantité de glace ne peut pas être homogène et elle est regroupée sous quatre types de formations :
- Les inlandsis
- les calottes glaciaires
- les glaciers alpins
- les banquises

En outre, les glaciers ne sont pas des structures immobiles, mais au contraire s'écoulent de quelques mètres par an à quelques kilomètres par an, et laissent ainsi de nombreuses traces qui permettent de retrouver leurs présences des millions d'années après leur disparition.

Les inlandsis
Il existe actuellement deux inlandsis sur notre planète. Le plus important repose sur le continent antarctique. Il s'étend sur 14 millions de km² avec une épaisseur de glace moyenne de 2000 m et des maximums pouvant atteindre 4 000 m. Le second recouvre le Groenland (Figure 2) et s'étend sur un peu plus de 1,7 million de km², avec une épaisseur moyenne de 2000 m et des maximums de plus de 3 000 m. L'épaisseur de glace est telle qu'il n'y a aucun relief rocheux qui émerge, à l'exception de quelques nunataks*.
Figure 2 à droite : Inlandsis groenlandais (Google Earth).

Les calottes glaciaires
Les calottes glaciaires sont des glaciers de grande taille, mais nettement plus petits que les inlandsis. Le plus connu est le Vatnajökull (2) (8 390 km² avec une épaisseur maximum de 1000 m) qui constitue non seulement le plus grand glacier islandais, mais aussi européen. Cependant, il en existe de nombreux autres, aussi bien dans l'hémisphère nord comme les calottes de l'île d'Ellesmere (Canada, superficie entre 26 000 et 22 000 km²), ou encore le glacier Austfonna (Spitzberg ou Svalbard, Norvège, superficie 8120 km²), que dans l'hémisphère sud comme le glacier Hielo Patagonico Nord (Chili, superficie 4400 km²) ou encore le glacier Cook (Kerguelen, superficie 500 km² ; c'est le plus grand glacier entièrement français). Ces glaciers sont très étendus et présentent une morphologie proche des inlandsis, mais ils sont plus petits (moins de 50 000 km²).

Les calottes glaciaires et les inlandsis sont des glaciers continentaux. Leur étendue et leur épaisseur sont tellement importantes que le relief a peu d'incidence sur leur morphologie.

Les glaciers alpins
Les glaciers alpins (Figure 3) correspondent à des glaciers dont la morphologie est dépendante du relief. Ils se trouvent en général en montagne et occupent le fond des vallées (Figures 3). Il en existe sous toutes les latitudes, même dans les zones équatoriales, entre les tropiques du Cancer et du Capricorne : glaciers andins, glaciers africains (Kilimandjaro en Tanzanie et le Mont Kenya au Kenya), Punka Jaya (Irian Jaya, Indonésie).

Le glacier d'Aletsch (Suisse) est le plus grand des Alpes	Le glacier Blanc et le glacier Noir, massif des Ecrins (Haute Alpes) (Carte IGN Top 25 "Meje - Pelvoux)
Figure 3 : La morphologie des glaciers alpins dépend du relief. Cela est particulièrement net sur la carte topographique où tous les glaciers suivent le relief.

Les banquises
La présence d'une banquise, comme c'est le cas actuellement en Arctique, signifie seulement que la température y est froide, au moins une partie de l'année, mais ne correspond pas à un glacier. En effet, sa présence n'est pas due à une accumulation de neige au cours du temps, mais juste à de l'eau de surface qui gèle.

Nous allons voir maintenant si, dans les périodes récentes, les conditions climatiques ont, ou non, évolué.

Des variations récentes de l'englacement
Différentes structures géologiques montrent que les glaciers ont été bien plus étendus par le passé qu'aujourd'hui, comme en témoignent les stries glaciaires* sur des roches (Figure 4), les moraines*, etc. Par ailleurs, ces différentes structures ne sont pas toutes datées du même âge, traduisant des successions de périodes froides et de périodes chaudes. Les périodes froides sont caractérisées par le développement d'inlandsis sur le nord de l'Europe et de l'Amérique (Figure 5). Les périodes plus chaudes sont caractérisées par la disparition de tous les glaciers de types alpins (3), ou presque. Cependant au moins un inlandsis reste présent, celui de l'Antarctique.
Figure 4 à droite : Stries glaciaires, archipel de Stockholm (photo : Voisin).



Ainsi, une glaciation, ou ère glaciaire, est caractérisée par la présence d'au moins un inlandsis de grande taille. Cela n'est possible que si un continent est présent à l'un des pôles. Des périodes suffisamment froides pour installer une glaciation peuvent exister et juste développer une banquise à chaque pôle, mais pas d'inlandsis s'il n'y a pas de continent à l'un des pôles. La présence d'un continent permet l'accumulation d'une très grande quantité de glace et ainsi créé une véritable réserve de froid suite à la continentalisation des climats que cela entraîne. En d'autres termes, nous sommes aujourd'hui en période glaciaire !
Ainsi, on parle de glaciations au Quaternaire*, mais cela est un abus de langage. En effet, ces dernières ne sont que des extensions des fronts glaciaires déjà existants et correspondent à des périodes plus froides qu'aujourd'hui. La période glaciaire que nous connaissons s'est mise en place à la fin de l'Eocène*, il y a environ 40 millions d'années sous forme de glaciers alpins sur la chaîne Transantarctique. Cependant, l'englaciation véritable de l'Antarctique a vraiment commencé au tout début du Miocène*, vers -22,9 millions d'années, avec l'ouverture du détroit de Drake (entre l'Antarctique et l'Amérique du Sud) qui a isolé l'Antarctique par les courants circumpolaires.
Figure 5 à gauche : extension des Inlandsis dans l'hémisphère nord lors du dernier maximum glaciaire (D'après Pomerol et al., 2000).

Les glaciations ne sont pas constamment présentes au cours de l'histoire de la Terre. En effet, au Mésozoïque* il n'y a aucune trace d'inlandsis (Figure 6), car le climat était non seulement trop chaud, mais aussi il n'y avait aucune surface émergée à l'un des pôles. Seul un refroidissement important eut lieu à la fin du Crétacé* (Figure 6), mais qui n'a pas conduit à une glaciation. La chute des températures semble importante, mais l'absence de continent à l'un des pôles, associée à la courte durée de ce refroidissement n'a pas permis l'installation d'une période glaciaire ou glaciation. Il semblerait, cependant, qu'une banquise se soit développée à cette période.

Mais que s'est-il passé avant le Mésozoïque*, c'est-à-dire avant 250 millions d'années, soit sur plus de 4 milliards d'années ?
Figure 6 à droite : variation du climat global au cours du Phanérozoïque.
CSG :climat global sans glaciation
CAG : climat global avec glaciation.
Plus la courbe pointe vers la gauche plus les calottes glaciaires sont étendues et plus le gradient thermique latitudinal est élevé. (d'après Lethiers, 2004).

D'autres mondes glacés

Les autres glaciations du Phanérozoïques

La figure 6 montre qu'au cours du Phanérozoïque* (figure 7) deux périodes glaciaires ont existé : une à la fin de l'Ordovicien* et une autre au cours du Carbonifère*. La présence d'un continent à l'un des pôles est attestée par les études paléomagnétiques (figure 8). Ces glaciations ont été mises en évidence par la présence de différentes figures d'érosions (stries glaciaires, roches moutonnées, etc.), par des variations de production de matières organiques et des isotopes de l'oxygène. Cependant, il semblerait qu'une troisième glaciation, de moindre importance, se soit mise en place entre les deux précédentes : la glaciation fini-dévonienne.

Figure 7 : les quatre Éons* de l'histoire de la Terre ainsi que les ères géologiques associées (d'après wikipedia).	Figure 8 : déplacement apparent du pôle sud par rapport au Gondwana (Foucault, 1993).

La glaciation Ordovicienne se développe à la fin de l'Ordovicien* et s'étend sur 10 à 15 millions d'années. A cette période les terres émergées étaient regroupées en cinq continents, quatre de petite taille et un de grande taille : le Gondwana qui coïncidait avec le pôle Sud (Figure 9). Il s'est alors développé un inlandsis plus grand que celui de l'Antarctique actuel, ainsi qu'au moins deux centres glaciaires secondaires (Figure 9). En outre, des études sédimentologiques précises ont montré que cette glaciation a comporté deux à quatre phases glaciaires accompagnées par autant d'interglaciaires, ce qui montre que pendant ce long intervalle de temps les fronts glaciaires n'ont pas été statiques.
Figure 9 à droite : extension probable de l'inlandsis sur le Gondwana à l'Ordovicien, PS : pôle Sud (Letheirs, 2004).

Les analyses montrent aussi que le taux de CO2 (dioxyde de carbone) était 14 fois supérieur à l'actuel. La quantité de gaz à effet de serre a un effet sur le climat, mais qui peut donc être contrebalancé par d'autres facteurs, d'autant plus qu'à l'Ordovicien* la vie n'avait pas encore conquis le milieu aérien. La mise en place d'une glaciation dépend essentiellement de 3 facteurs où les gaz à effet de serre ont un rôle important mais encore mal compris :

• un continent localisé sur l'un des pôles
• la phase orogenèse d'un cycle orogénique
• le forçage orbital

La glaciation permo-carbonifère* fut longue, plus longue que la précédente ayant eu lieu à la fin de l'Ordovicien* car elle s'étend sur plus de 80 millions d'années. Il est à noter que certains auteurs proposent un modèle avec deux glaciations bien distinctes espacées de 15 millions d'années environ. A cette époque le Gondwana s'était encore agrandi par rapport aux époques précédentes par l'accrétion de nouvelles masses continentales et ce continent se trouvait centré sur le pôle Sud. Les glaces recouvraient une surface très importante (Figure 10). Cependant, à la même époque, il y a eu une production végétale impressionnante, comme l'attestent les grands dépôts de charbon que l'on trouve dans différentes régions du monde (ce qui a donné le nom à cette période) en particulier en Europe qui se trouvait au niveau de l'équateur. Il y avait donc un gradient thermique latitudinal extrêmement important.
Figure 10 à gauche : extension probable de l'inlandsis sur le Gondwana au Permo-Carbonifère (d'après MacRae, 1999).

La glaciation fini-dévonienne* est toujours très discutée. A cette période il y a bien eu un net refroidissement de la planète d'une durée d'environ 5 millions d'années, mais l'intensité de ce refroidissement est toujours débattue, même si cette époque correspond à une crise biologique majeure.
Cependant, entre ces trois glaciations le Gondwana (Figure 8) se trouvait toujours au niveau du pôle Sud sans qu'il y ait d'inlandsis.

Les glaciations ante-cambriennes
Des glaciations sont connues bien avant le Cambrien*. En effet, des traces glaciaires bien documentées sont connues dès le milieu du Mésoarchéen*. Des dépôts associés à du transport par de la glace flottante sont connus vers 3 milliards d'années dans le complexe de Stillwater (Amérique du Nord) et des évidences de glaciers importants sont datées de 2,8 milliards d'années dans le super groupe du Witwaterstrand en Afrique du Sud, qui correspondait à une partie d'un des premiers super continents* uniques : le continent Ur. Les traces glaciaires les plus nombreuses se trouvent entre 2,4 et 2,1 milliards d'années, en particulier dans le super groupe huronien (Ontario, Canada) et traduirait une très longue et très sévère glaciation : la glaciation huronienne. Comme il est difficile d'être précis pour des phénomènes aussi anciens, d'autres interprétations existent, en particulier que cette glaciation correspondrait à plusieurs glaciations distinctes se succédant dans des intervalles de temps rapprochés. Cette, ou ces, événements glaciaires ont eu lieu sur le super continent Kernoland.

Nous n'avons ensuite aucune trace glaciaire avant le Mésoprotérozoïque*. A partir de cette date, d'autres périodes glaciaires, environ quatre, s'individualisent, dont deux très importantes qui ont eu lieu entre 850 et 630 millions d'années lors du Cryogénien*. La première, la glaciation Sturtienne (entre 750 et 700 millions d'années) puis la glaciation Varangienne (qui se termina vers 635 millions d'années) sont les plus importantes que la Terre ait connues et ont produit un englacement considérable. En effet des tillites*, notamment, se trouvent jusque dans les zones équatoriales de l'époque. Ces constatations ont amené à l'édification de la théorie de la « snowball earth » ou théorie de la Terre boule de neige (la glaciation huronienne pourrait avoir aussi été du type boule de neige). Cette théorie propose un englacement quasi complet, voir complet pour certains auteurs (bien que cela soit de plus en plus remis en cause), de la planète pendant de très longues périodes et un réchauffement lent associé à une fonte très rapide des glaces, environ un millier d'années. Il est à noter qu'à l'époque il n'y avait pas de végétation à la surface de la Terre, ni même de vie pluricellulaire. Suite à ces deux glaciations extrêmes, il y a une explosion de biodiversité avec notamment l'apparition des premières faunes pluricellulaires, très bien mise en évidence à Ediacara (Australie), d'où le nom de la période qui suit : l'Ediacarien. Il se pourrait par ailleurs que ces deux glaciations soient un des facteurs ayant entraîné l'apparition de la vie multicellulaire.

Conséquences des glaciations
Une des conséquences les plus évidentes d'une glaciation est l'abaissement des niveaux marins. Lors du dernier maximum glaciaire, il y a 20 000 ans, le niveau des mers était 120 m plus bas qu'aujourd'hui, comme le montre la position de la grotte Cosquer (découverte en 1991) dont l'entrée est située à -37 mètres sous les eaux, près de Marseille. Cette grotte, qui présente un art pariétal magnifique, est datée entre -25 et -19 000 ans. Cet abaissement du niveau marin entraîne une diminution de la surface des plateaux continentaux, zone la plus riche en vie. Par ailleurs, le gradient thermique devenant élevé, cela entraîne pour chaque espèce une zone trophique qui diminue et augmentant ainsi la compétition entre les espèces. L'une des cinq extinctions majeures à lieu à de l'Ordovicien* supérieur, lors de la glaciation ordovicienne et une autre à lieu à la limite Frasnien/Famennien* (en correspondance donc avec la « glaciation » dévonienne). Cependant, il n'y a pas de grande extinction lors de la glaciation du Cénozoïque*, ni lors de la glaciation permo-carbonifère*. Au contraire, l'extinction majeure a lieu à la limite permo-trias*, lors d'un réchauffement important. Par ailleurs, l'Ediacarien*, la période qui suit la dernière « snowball earth », correspond à un moment extrêmement important dans l'histoire de la Terre. En effet, il y a apparition des premiers êtres pluricellulaires de types « actuels », notamment dans le site d'Ediacara (4) (Australie), c'est-à-dire pouvant être, pour certains groupes au moins, rattachés à des formes plus récentes. Ainsi, certains auteurs proposent l'hypothèse que ces glaciations majeures seraient responsables de l'apparition de la vie multicellulaire. La découverte en 2010 de fossiles (Figure 11) très particuliers au Gabon, montrant l'existence d'une vie pluricellulaire vers 2,1 milliards d'années, ne s'oppose pas à cette hypothèse. En effet, il existe un vide paléontologique de plus d'un milliard d'années entre ces organismes et la faune édiacarienne. Ainsi, ces premières formes de vie complexe sont apparues suite à des circonstances particulières puis ont pu disparaître suite à des changements importants de l'environnement, notamment lors de la « catastrophe de l'oxygène » ou « grande oxydation ». En effet, l'atmosphère primitive de la Terre ne contenait pas, ou peu, d'oxygène mais le développement d'organismes photosynthétiques*, comme les cyanobactéries*, ont entraîné une modification profonde de la composition de l'atmosphère (il a fallu plus d'un milliard d'années pour que la composition de l'atmosphère change de façon sensible). Le développement d'une atmosphère riche en oxygène (l'atmosphère actuelle contient un peu moins de 20% d'oxygène et 80% d'azote) a entraîné l'apparition de nouvelles conditions de vie, que la dernière boule de neige aurait favorisée.
Figure 11 à droite : fossile découvert en 2010 dans des roches datées de 2,1 milliards d'années. (a) : fossile, (b) et (c) images obtenues à l'aide de scanner à rayon X montrant l'organisation interne (d'aprés El Albani et al 2010).

Conclusion
La mise en évidence de glaciations anciennes est difficile, car leurs traces sont fragiles et facilement remobilisées, ce qui rend l'interprétation des affleurements délicats pour les glaciations ante Quaternaire. Cependant de grandes périodes glaciaires ont été reconnues. Plusieurs ont eu lieu au Protérozoïque et les deux dernières ont été suffisamment importantes pour entraîner un englacement quasi complet de la planète. Au Phanérozoïques, deux, voire trois ont été démontrées au cours du Paléozoïque : une à la fin de l'Ordovicien, une au cours du Carbonifère et du Permien, et une dernière beaucoup moins connue, à la fin du Dévonien. Puis au Cénozoïque s'est mise en place la glaciation actuelle, avec ses avancées et reculs du front glaciaire. Au cours du Quaternaire, ces avancées du front glaciaire sont nommées glaciations, ce qui est un abus de langage.
Les périodes glaciaires sont des phénomènes relativement rares dans l'histoire de la Terre, mais cependant non exceptionnels et aujourd'hui nous avons la chance d'en vivre une.
Les glaciations peuvent être associées à des crises majeures de la biodiversité (fin de l'Ordovicien* par exemple) ou être la source possible d'explosion de la biodiversité (fin des glaciations boules de neiges par exemple). Les glaciations ne sont donc pas toujours synonymes de destruction comme on le croît encore trop souvent.

Jean-Luc Voisin
Docteur en Paléontologie Humaine du Muséum National d'Histoire Naturelle
Site de Jean-Luc-Voisin

Albédo : c'est le rapport entre l'énergie solaire réfléchie par une surface et l'énergie solaire incidente. C'est une valeur comprise entre 0 et 1. 0 signifie que toute l'énergie solaire reçue par une surface est absorbée par cette dernière, alors que 1 est l'exact contraire. En d'autres termes, toute l'énergie reçue par une surface y est réfléchie. Carbonifère : Période du Paléozoïque* allant de -359 à -299 millions d'années (Figure 12), caractérisée par des dépôts importants de charbon. Cambrien : Période allant de -541 à -485 millions d'années (Figure 12) et correspond à la première période de l'ère Paléozoïque*. La vie est alors uniquement marine. Cénozoïque : Correspond à la troisième et dernière ère géologique de l'éon Phanérozoïque* et s'étend entre -66 millions d'années et aujourd'hui. Cette ère comprend les anciennes ères Tertiaire et Quaternaire (Figure 12). Nous sommes actuellement dans l'ère Cénozoïque. Crétacé : période allant de -145 à -66 millions d'années (Figure 12) et correspondant à la dernière période de l'ère Mésozoïque*. Cette période se termine par une extinction en masse (la dernière des 5 grandes crises majeures que la Terre a connues) . Cette crise est la plus connue car elle entraîna, notamment, la disparition des Dinosaures.

(Figure 12) International Chronostratigraphic Chart

Pour aller plus loin Notre sélection d'ouvrages en rapport avec les glaciations.	Histoire de la terre 6ème édition Serge Elmi - Claude Babain Cette 6ème édition actualisée présente une chronologie claire et détaillée des événements et des évolutions (modification de l'atmosphère, apparition de la Vie...) qui ont façonné notre planète depuis 4,5 milliards d'années. Elle reconstitue ainsi la chronologie des temps géologiques avec les témoins (faciès, traces de vie, phénomènes glaciaires, extinction, tectonique...) utilisés par la géologie historique pour l'enchaînement des grands moments géologiques (tectonique des plaques, orogenèse...) et biologiques (apparition de la vie, de la photosynthèse, extinction en masse...).	Evolution de la biosphère et évènements géologiques Francis Lethiers L'évolution du monde vivant ne fut pas régulière au cours des temps géologiques. Au contraire, elle montre des épisodes de crises séparant des phases de radiations évolutives. Cet ouvrage présentant un bilan des découvertes paléontologiques des quinze dernières années pourrait se résumer par la formule « l'évolution de la vie sur notre planète ou la biodiversité ». Ce livre alliant la clarté de l'exposé à la rigueur scientifique, intéressera autant biologistes et géologues qu'enseignants, étudiants et tous ceux désireux d'étendre leurs connaissances sur le sujet.	La planète des glaces Histoire et environnement de notre ère glaciaire Brigitte Van Vliet-Lanoë L'étude de la glace et de son impact sur notre environnement terrestre est certainement un des domaines clefs du décryptage de notre avenir. Lieu de convergence de différentes approches - géologique, glaciologique, climatique, pédologique, biologique, écologique - cette étude des milieux froids n'est pas l'apanage d'une discipline, c'est pourquoi la connaissance des mécanismes physiques, chimiques ou biologiques de base s'impose. Nous savons aujourd'hui qu'une glaciation engendre un monde instable, régi par de nombreuses interactions océan-terre...
Livres plus généralistes	Le livre de la vie Stephen Jay Gould Un très beau livre sur l'apparition de la vie sur Terre jusqu'à notre époque. De très pédagogiques chronologies permettent de mieux se situer dans toutes les périodes préhistoriques. C'est expliqué simplement mais accessible à partir de 14-15 ans. Pour tous !	La France au Paléolithique Pascal Depaepe L'histoire des hommes, des cultures, des innovations, de la recherche, au Paléolithique, en France. Un nouvel ouvrage incluant les dernières découvertes. En savoir plus sur La France au Paléolithique	La Préhistoire Chronique de l'homme De Beaune - Balzeau Richement illustré, complet, cet ouvrage donne une excellente vision de la chronologie et des hommes de la Préhistoire. Un beau livre à (s') offrir pour un adulte ou un adolescent qui veut défricher le sujet... Pour tous. Livre grand format.