Quelques éléments de géochimie et de chronostratigraphie isotopique :

Les valeurs de δ ¹⁸O utilisées pour établir le référentiel appelé échelle SPECMAP pour SPECtral MAping Project (fig.17) sont obtenues à partir de mesures effectuées sur des tests carbonatés (CaCO₃ enregistre le fractionnement de ¹⁸O par rapport à ¹⁶O) de foraminifères benthiques et planctoniques et sur des échantillons de carottes de glaces (H₂O enregistre aussi le fractionnement de ¹⁸O par rapport à ¹⁶O) extraites des calottes polaires antarctique et groenlandaise.

Fig. 18 : Methode de calcul de δ ¹⁸O

La normalisation s'effectue en référence à des standards internationaux :

- soit PDB = Pee Dee Belemnite, un rostre de Bélemnite fossile du Crétacé, période sans glaciation, et provenant de Caroline du Sud (USA),

- soit SMOW = Standard Mean Ocean Water, composition isotopique moyenne d'un mélange d'eaux distillées (donc sans sels) provenant de différents océans du monde, et censé représenter la composition moyenne de l'eau sur la Terre.

¹⁸O et ¹⁶O sont deux isotopes de l'oxygène. Ils possèdent les mêmes propriétés chimiques mais des propriétés physiques différentes (= ils sont sensibles aux fractionnements = au passage d'un réservoir dans un autre). Comme l'isotope ¹⁸O est plus lourd que l'isotope ¹⁶O, des propriétés physiques légérement différentes liées à leur différence de masse vont exister et donc des fractionnements s'exercer.

Le fractionnement sera fonction (9)(10):

-  de la température : une élévation de température favorise l'évaporation.

Une molécule d'eau contenant ¹⁶O étant plus légère et s'évaporant plus facilement qu'une molécule contenant ¹⁸O, l'eau des nuages sera plus riche en ¹⁶O que l'eau de la mer d'où elle provient (= il y aura bien fractionnement isotopique).

- et de la latitude: les molécules d'eau contenant ¹⁸O plus lourd précipitant plus facilement que celles contenant ¹⁶O, et les circulations atmosphériques (cellules convectives) conduisant les nuages vers les hautes latitudes, la neige qui tombera au pôle sera de l'eau quasiment dépourvue d'¹⁸O déjà précipité.

Le rapport δ ¹⁸O deviendra donc de plus en plus négatif lorsqu'on s'élèvera en latitude et afin de pouvoir établir des comparaisons, les mesures de δ ¹⁸O devront soit être effectuées à des latitudes voisines, soit être corrigées (correction égale à environ −0,6‰ par degré de latitude pour l'hémisphère Nord et jusqu'à −2‰ pour le continent Antarctique) pour qu'elles puissent être scientifiquement comparables.

En période glaciaire (froide), l'évaporation est faible et c'est donc surtout du ¹⁶O qui est évaporé et qui précipitera et le  δ ¹⁸O sera très négatif. A l'inverse lors d'une période interglaciaire (plus chaude), l'évaporation est intense et même si c'est toujours l'eau contenant ¹⁶O qui est préférentiellement évaporée, une grande quantité d'eau contenant ¹⁸O le sera aussi parce que l’énergie de vaporisation est plus facilement atteinte lorsque la température est plus élevée.  Le δ¹⁸O des nuages en période chaude est ainsi plus élevé et par voie de conséquence le δ¹⁸O de la glace sera donc lui aussi plus élevé pendant la période chaude que pendant la période froide.

Un thermomètre isotopique peut donc être établi et être utilisé à une latitude donnée. L'échelle chronostratigraphique, enrichie par des mesures de  δ ¹⁸O effectuées sur des microfossiles et/ou des glaces et des eaux fossiles, permet au géologue, glaciologue ou géomorphologue de se repérer (fig.18).

Fig. 19 : Chronologie des principaux épisodes glaciaires et inter-glaciaires et courbes SPECMAP lissées du δ ¹⁸O océanique, issues du projet de la National Science Foundation: Mapping Spectral Variability in Global Climate Les stades isotopiques (OIS = Oxygen Isotopic Stade), sont numérotés par ordre croissant à droite de la courbe du δ ¹⁸O (voir par exemple Martinson et al., 1987)(8)