Les roches de la région de Québec : tout un monde sous nos pieds
À la jonction des trois grands domaines géologiques du Québec et traversée par un fleuve majestueux, la région de Québec offre un environnement géologique extrêmement diversifié.
Le Bouclier canadien
Les roches du Bouclier canadien représentent les racines très profondes d’une ancienne chaîne de montagnes, semblable à l’Himalaya d’aujourd’hui, et qui longeait la marge est de tout l’Amérique du Nord, il y a environ 1 milliard d’années. Cette chaîne s’est formée en plusieurs étapes à la suite de la collision successive de continents, microcontinents ou arcs volcaniques avec l’ancien continent d’alors, Laurentia. C’est la province de Grenville du Bouclier canadien.
Les basses terres du Saint-Laurent
Les basses terres du Saint-Laurent sont formées de roches sédimentaires peu ou pas déformées. Les fossiles sont particulièrement abondants dans certaines couches de calcaire, un type de roche très commun dans la région de Québec. Les calcaires de la région de Québec sont d'âge Ordovicien (entre 500 et 450 millions d'années). À l'Ordovicien au moment où les sédiments qui ont donné naissance au calcaire des basses terres du Saint-Laurent se sont formés, la vie était restreinte aux océans. Voici les principaux fossiles qu'on peut retracer.
Les Appalaches
Dans la région de Québec, on a identifié cinq grandes nappes de chevauchement. Il s’agit des Nappes de la Chaudière, de Bacchus, de la Pointe-de-Lévy, du Promontoire de Québec et d’Etchemin. Elles sont formées d’une grande variété de roches sédimentaires et ont été transportées sur des dizaines de kilomètres le long de failles à peu près horizontales.
La construction de cette chaîne, qui s’étend de Terre-Neuve jusqu’en Alabama, s’est échelonnée sur une période de 250 millions d’années environ et elle a connu trois temps forts.
Croquis 1 : À la fin du Précambrien, soit il y a environ 650 millions d’années, un super continent s’est fragmenté en plusieurs morceaux dont Laurentia, Baltica et Sibéria. C’est la naissance de l’océan Iapétus qui atteindra son apogée 100 millions d’années plus tard avec une largeur d’environ 1100 km. Durant toute cette longue période d’expansion, de grandes quantités de sédiments s’y déposent.
Croquis 2 : Une première collision. Il y a environ 510 millions d’années, soit à la toute fin du Cambrien, la direction des plaques est inversée et l’océan Iapétus commence à se refermer. Cinquante millions d’années plus tard, Laurentia entre en collision avec l’arc insulaire. C’est la première phase de construction des Appalaches, la chaîne taconienne. Au cours de cette collision, de grandes masses rocheuses formées dans les profondeurs d’Iapétus seront transportées sur de grandes distances le long de failles presqu’horizontales : ce sont les nappes de chevauchement.
Pour en savoir plus sur la formation des Appalaches, cliquez ici
Le Bouclier canadien : une étape dans la construction du continent nord-américain
Le Bouclier canadien est une entité physiographique qui couvre plus de la moitié de la superficie du Canada. Il est formé d’une grande variété de roches dont l’âge varie entre 4 et 1 milliards d’années. Depuis plusieurs centaines de millions d’années, le Bouclier se comporte comme un bloc assez stable, un craton. Mais avant d’en arriver là, ce craton s’est formé en plusieurs étapes mouvementées, sur 3 milliards d’années.
En effet, bien qu’il nous semble immuable, notre continent s’est construit morceau par morceau au gré de la tectonique des plaques (ouverture et fermeture d’océans, formation de nouvelle croûte continentale, fragmentation de supercontinents, dérive et collision de continents). De chaque collision naissent des chaînes de montagnes. Avec le temps, les plus vieilles chaînes s’érodent. Il n’en reste que des témoins, des entités géologiques distinctes que l’on nomme "provinces géologiques".
Le Bouclier canadien comprend plusieurs provinces géologiques et chacune d’elles est caractérisée par un assemblage de roches d’âge et de caractéristiques distinctes. Parmi celles-ci, notons:
· La Province des Esclaves dans les Territoires du Nord-Ouest, là où l'on trouve aujourd'hui des diamants, renferme les roches les plus vieilles, datées à 4,0 milliards d'années.
· La Province de Nain au Labrador est la deuxième en âge. Certaines de ses roches sont aussi vieilles que 3,8 milliards d’années.
· La Province du Supérieur, avec ses roches formées entre 2,8 et 2,5 milliards d'années, est bien connue pour ses gîtes d'or et de cuivre.
· La Province de l’Ours comprend des roches sédimentaires, volcaniques et intrusives datées entre 2,0 et 1,8 milliard d’années. On l’appelle communément l’"orogène" Wopmay.
· La Province de Churchill représente des chaînes de montagnes, maintenant érodées, érigées entre 2,2 et 1,8 milliard d'années, lorsque des plaques tectoniques composées de roches beaucoup plus vieilles appartenant aux autres provinces géologiques sont entrées en collision les unes avec les autres tout en coinçant des morceaux de croûte plus récemment formée de 2 milliards d’années (îles en arc, croûte océanique). Après cette période, le noyau de l'Amérique du Nord s'est comporté comme un bloc assez stable, un craton. Il s'étendait du Labrador jusque sous une partie des Rocheuses actuelles, en passant par l'Abitibi et les Territoires du Nord-Ouest. On appelle ce craton "Laurentia".
· La plus jeune province est la Province de Grenville.
La Province de Grenville: les racines d’une ancienne chaîne de montagnes
La Province de Grenville représente les racines très profondes d’une immense chaîne de montagnes qui longeait la marge est de tout l’Amérique du Nord, il y a environ 1 milliard d’années. Cette chaîne s’est formée en plusieurs étapes à la suite de la collision successive de continents, microcontinents ou arcs volcaniques avec Laurentia. Une première collision est rapportée autour de 1,2 milliard d’années. D’autres ont suivi pour culminer autour de 1,03 milliard d'années possiblement par la collision de Laurentia, avec un autre gros continent: peut-être l'Amérique du Sud ? Laurentia formait avec ce continent, et possiblement tous les autres de la Terre, un super continent. Comme les super continents sont instables, ils se font et se défont. Cet autre continent s'est donc détaché entre 0,8 et 0,5 billion d’années et la chaîne de montagnes s'est érodée avec le temps. Le matériel qui la formait s'est éparpillé sur des milliers de kilomètres. Aujourd'hui, il ne reste que les racines de cette chaîne de montagnes, la Province de Grenville. Du Labrador au Texas, en passant par les régions de la Mauricie, des Laurentides et de l'Outaouais, les roches de l’orogène grenvillien se retrouvent sur plus de 4 000 km le long de la partie orientale du continent nord-américain, tantôt ensevelies sous d'autres roches plus jeunes, tantôt exposées à la surface.
Une histoire de bouleversements : la formation des Appalaches à la lumière de la théorie de la tectonique des plaques
Selon la théorie de la tectonique des plaques, l’écorce terrestre est formée d’une vingtaine de plaques tectoniques qui se déplacent les unes par rapport aux autres. Certaines s’éloignent les unes des autres, d’autres entrent en collision et d’autres se frottent les unes contre les autres. Cette théorie unificatrice de la géologie a fourni un cadre global pour expliquer à la fois la formation des chaînes de montagnes, les tremblements de terre, le volcanisme, etc.
À la lumière de cette théorie, voici comment on explique la formation de la chaîne de montagnes des Appalaches. La construction de cette chaîne qui s’étend de Terre-Neuve jusqu’en Alabama, s’est échelonnée sur une période de 250 millions d’années environ et elle a connu trois temps forts. C’est grâce à une cartographie minutieuse des roches des Appalaches par plusieurs générations de géologues qu’on a pu reconstituer cette histoire, dont notre compréhension s’améliore toujours à mesure que de nouveaux travaux sont effectués. C’est aussi en étudiant la formation des chaînes de montagnes très jeunes comme celle de l'Himalaya qu’on peut mieux comprendre les mécanismes mis en jeu. L'Himalaya n’a en effet commencé à se former qu’il y a 10 millions d’années environ quand l’Inde est entrée en collision avec la plaque asiatique. En fait cette collision se poursuit toujours et l’Inde se rapproche du reste de l’Asie à une vitesse de 4 à 6 cm par année.
Un supercontinent se morcelle
Tout a commencé à la fin du Précambrien, soit il y a environ 650 millions d’années. À ce moment-là notre planète avait un aspect bien différent. En fait toutes les massses continentales étaient rassemblées en un seul mégacontinent. Comme les mégacontinents sont instables, celui-ci s’est fragmenté en plusieurs morceaux dont Laurentia, Baltica et Sibéria. À noter qu’une bonne partie de Laurentia (notre Bouclier canadien actuel) était localisé au sud de l’équateur.
Au début, il ne s’agit que d’une zone de rift semblable à celle du grand rift africain actuel. De la lave s’épanche pour former un plancher oéanique à mesure que les masses continentales se séparent. C’est la naissance de l’océan Iapétus qui atteindra son apogée 100 millions d’années plus tard avec une largeur d’environ 1100 km. On pense qu'il y avait une dorsale oécanique entre Laurentia et Baltica, semblable à la dorsale oéanique qui existe aujourd'hui au centre de l’océan Atlantique.
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Les plaques tectoniques se déplacent à des vitesses très lentes, semblables à la vitesse de croissance de nos ongles, quelques centimètres par année tout au plus. Toutefois il ne faut pas oublier que ces déplacements se produisent sur des périodes de temps très longues, de l’ordre de plusieurs dizaines de millions d’années.
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Durant toute cette longue période d’expansion, de grandes quantités de sédiments provenant de l’érosion de la chaîne de montagnes grenvillienne formée il y a environ un milliard d’années se déposent en bordure de l’océan Iapétus. À la marge, se déposent des sables, des calcaires qui formeront les roches des basses terres du Saint-Laurent. Dans les bassins océaniques plus profonds se déposent des sédiments très fins.
Croquis 1: À la fin du Précambrien au moment où le supercontinent commence à se fragmenter et l’océan Iapétus commence à se former.
Une première collision
Il y a environ 510 millions d’années, soit à la toute fin du Cambrien, la direction des plaques est inversée et l’océan Iapétus commence à se refermer. Baltica et plusieurs continents plus petits se rapprochent de Laurentia. Un arc insulaire se développe en bordure de Laurentia, résultat de l’enfoncement de la croûte océanique sous le plancher océanique.
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Un arc insulaire, c’est une série de volcans en forme d’arc. Cet arc marque la présence d’une zone où la croûte océanique s’enfonce sous la croûte continentale ou une autre croûte océanique. La croûte plongera profondément dans le manteau. Les sédiments qui ont été entraînés ainsi que les roches au-desssus fondent. Ces magmas montent à la surface et forment des volcans alignés en forme d’arc.
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Cinquante millions d’années plus tard, l'arc insulaire entre en collision avec la plaque laurentienne. C’est la première phase de construction des Appalaches, la chaîne taconienne. Sous l'action de cette collision, les sédiments déposés en marge de Laurentia seront poussés vers le continent et transportés sur de grandes distances le long de failles presqu’horizontales. La cartographie de la région de Québec au cours des années 60 par Pierre St-Julien a permis de documenter l’existence de plusieurs ensembles de roches tranportées qu'on appelle nappes de chevauchement. Donc les roches des Appalaches de la région de Québec ont été formées à plusieurs dizaines ou même centaines de kilomètres au sud de l'endroit où on les retrouve maintenant.
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On peut comparer la collision entre deux plaques tectoniques à la collision entre deux autos. Sous l’impact de la collision, la carosserie se déforme, se bosselle et se raccourcit. Les roches des chaînes de montagnes sont elles aussi plissées et déformées. Bien sûr, les roches sédimentaires et volcaniques se déforment extrêmement lentement et la collision s'étend sur des millions d’années.
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Durant les millions d’années qui suivent, la fermeture de l’océan Iapétus se poursuit. La chaîne taconienne nouvellement formée en bordure de Laurentia s’érode et les sédiments formés se déposent en bordure. Il y a maintenant deux grandes masses continentales : Laurentia et Gondwana qui se rapprochent. Des microcontinents entrent en collision avec Laurentia. Les sédiments et roches volcaniques sont soulevés et déformés pour construire la chaîne acadienne - la deuxième phase de construction des Appalaches.
La dernière phase se produit quand Gondwana et Laurentia-Baltica entrent en collision, il y a 300 millions d’années. Les effets de cette collision se sont toutefois faits peu sentir sur les roches des Appalaches du Québec. Cinquante millions d’années plus tard la collision se termine. Tous les continents de la terre sont à nouveau réunis en un autre supercontinent : la Pangée. Celui-ci sera stable pour environ 50 millions d’années. Puis, il y a environ 200 millions d’années, la Pangée se fracture en plusieurs continents qui s’éloignent les uns des autres pour former les continents actuels. Cela a donné naissance à l’océan Atlantique.
La plate-forme du Saint-Laurent
La plate-forme du Saint-Laurent est une entité géologique limitée par le Bouclier canadien au nord, et séparée des roches des Appalaches au sud par une grande faille d’envergure continentale, la Ligne de Logan. Elle est formée de roches sédimentaires peu ou pas déformées, d’âge Paléozoïque. Cet ensemble, dont l’épaisseur maximale varie entre 1500 et 3000 m selon les régions, est donc formé de roches beaucoup plus jeunes que celles du Bouclier canadien. L’évolution de la plate-forme du Saint-Laurent est intimement liée aux mouvements des plaques tectoniques qui ont donné naissance à la chaîne de montagnes appalachienne.
On observe des lambeaux de ces roches sédimentaires paléozoïques à divers endroits dans le Bouclier canadien, comme dans les régions du Lac-Saint-Jean et du lac Manicouagan. L’actuelle plate-forme du Saint-Laurent est donc tout ce qui reste d’une couverture sédimentaire beaucoup plus étendue qui recouvrait une grande partie du Bouclier canadien.
À la fin du Précambrien, un supercontinent formé de tous les boucliers précambriens connus dans le monde s’est fracturé en plusieurs petits continents. C’est le début d’une période de rifting qui durera environ 100 millions d’années et qui aboutira à la formation de l’océan Iapétus entre Laurentia (le Bouclier canadien actuel) et Avalonia-Baltica (un autre bouclier précambrien comprenant des parties des pays scandinaves actuels et de la Russie). Selon les reconstitutions paléogéographiques, ce supercontinent était initialement centré sur le pôle Sud. Les roches sédimentaires de la plate-forme du Saint-Laurent représentent des sables et des boues calcaires déposés dans l’océan Iapétus, en bordure de Laurentia.
Témoins de la vie passée : les fossiles
Les fossiles émerveillent, même les plus menus et les plus discrets d'entre eux. Et à juste titre, car pour préserver des traces de plantes ou d'animaux dans les roches, il a fallu bien des étapes et une série de circonstances favorables. En effet la très très grande majorité des plantes et animaux qui ont vécu au cours des temps géologiques, n'ont laissé aucune trace, aucun vestige.
Les fossiles, ce sont des restes ou moulages de plantes ou d'animaux préservés dans les roches sédimentaires. Quand un coquillage, un os, une plante sont recouverts par des sédiments avant qu'ils ne pourrissent, leur empreinte peut être préservée.
Les étapes de la fossilisation
Peut-être avez-vous déjà ramassé des coquillages sur une plage? Les coquilles d'animaux morts sont brassées, brisées par les vagues. C'est le premier stade de la fossilisation. Imaginons qu'une grande tempête dépose plein de sable qui va recouvrir tous ces coquillages. Une fois enfouis, un processus de compaction et de diagénèse se met en branle. ( D'abord, quand l'organisme meurt, il doit être enfoui rapidement sous une couche de sédiments hors d'atteinte d'autres animaux ou de l'air. De plus, au cours du processus de transformation du sédiment en roches sédimentaires,
Les fossiles, témoins de l'évolution de la vie
C'est grâce aux fossiles qu'on trouve dans les roches qu'on a pu retracer l'évolution de la vie sur la Terre et formuler la théorie de l'évolution. C'est aussi en étudiant la distribution des fossiles dans les séquences de roches qu'on a pu documenter de grandes périodes d'extinction. Certains fossiles ont aussi été extrêmement utiles pour obtenir une datation relative des roches. L'idée étant que des roches qui contiennent le même type d'assemblages de fossiles ont le même âge. Ce que les paléontologues - les scientifiques qui se spécialisent dans l'étude des fossiles - recherchent particulièrement, ce sont les organismes qui ont évolué très rapidement sur une courte période de temps. Par exemple, les trilobites sont des animaux qui ont été très abondants dans les mers paléozoiques....
Les fossiles des basses terres du Saint-Laurent
Les fossiles sont particulièrement abondants dans certaines couches de calcaire de la région de Québec. Ceux-ci sont d'âge Ordovicien (entre 500 et 450 millions d'années).Voici les principaux fossiles qu'on peut retracer.
Les brachiopodes
Les crinoïdes
Les bryozoaires
Les céphalopodes
Les trilobites
Les gastéropodes
Les graptolites, des fossiles marqueurs
Les changements climatiques globaux, ça ne date pas d'hier*
Les implications économiques, sociales et politiques du réchauffement climatique global en font l’un des sujets les plus chauds dans le monde de la science. Désertification de terres agricoles, hausse du niveau moyen des océans menant à l’inondation de zones fortement populeuses et grands mouvements migratoires humains sont quelques-unes des pessimistes prophétisées par divers groupes écologiques. L’émission de grandes quantités de gaz carbonique constitue un problème majeur et est à la base de toute la problématique de l’effet de serre. Cependant, il est fréquemment oublié que la Terre fut, et est fort probablement encore, l’objet de grandes modifications climatiques naturelles. La question primordiale est de savoir si le réchauffement climatique artificiellement créé par l’Homme se superpose à un cycle naturel de refroidissement ou de réchauffement planétaire.
À date on a surtout reconstitué les altérations climatiques relativement récentes ( 1 million d’années) en étudiant la distribution des pollens et des plantes (paléoécologie), la géochimie isotopique des glaces et les cernes des arbres. Cependant, ces techniques sont inefficaces pour l’étude des patrons climatiques plus anciens.
Pourtant une partie de cette histoire est enregistrée dans les roches calcaires. Des recherches récentes menées dans les environnements marins modernes le long du littoral australien ont permis de reconnaître des modifications majeures dans la nature du sédiment calcaire et de la faune associée selon que l’on soit dans les zones tropicales ou à l’extérieur de celles-ci. Ces critères distinctifs peuvent aussi être reconnus dans les successions sédimentaires rocheuses. Ainsi, des indicateurs de climat tropical, subtropical, tempéré et même polaire peuvent être reconnus dans les roches permettant de documenter d’anciens changements climatiques. Il est donc possible de contraster l’histoire climatique planétaire récente et celle très ancienne et de reconstituer du moins en partie, les grands cycles climatiques naturels.
Le Sud du Québec sous les Tropiques
Il y a 440 millions d’années, le Sud du Québec d’aujourd’hui formait la bordure méridionale d’un grand continent appelé Laurentia et était localisé dans la zone tropicale d’alors, soit à 20 degrés de latitude sud (l’équivalent de Rio de Janeiro aujourd’hui). Une mer peu profonde recouvrait la zone actuelle des basses terres du Saint-Laurent. Dans cette mer, du sédiment calcaire se déposait et était colonisé par divers organismes (algues vertes, coraux, etc...). Cette unité rocheuse (le Groupe de Black River) présente toutes les caractéristiques sédimentaires et fauniques des environnements marins tropicaux modernes ( 20°C). Cette observation est parfaitement en accord avec la position tropicale de la région à l’époque considérée.
Un changement majeur et rapide est enregistré dans les calcaires de l’unité rocheuse sus-jacente, soit le Groupe de Trenton. À la toute base de cet ensemble, dans une mince succession de 2 à 4 mètres d’épaisseur, on remarque un changement drastique dans les faunes et la nature du sédiment calcaire. Au-dessus de cette zone de transition, la nature du sédiment calcaire ainsi que les fossiles présents (algues rouges, bryozoaires, etc...) indiquent que le milieu marin peu profond était baigné par des eaux plus fraîches ( 18°C). En utilisant les taux de sédimentation moderne des environnements marins peu profonds, soit de 25 centimètres à près de 1 mètre par 1000 ans, on peut établir que le changement environnemental s’est produit dans un intervalle de temps compris entre 3000 et 16 000 ans, soit de l’ordre de grandeur des cycles glaciaires et interglaciaires récents. La présence de ces calcaires d’eau marine plus fraîche est cependant problématique puisque le Sud du Québec était toujours dans une position tropicale à l’époque.
La zone tropicale coupée de moitié
La distribution à l’échelle nord-américaine des calcaires de cet âge permet de saisir l’évolution des ceintures climatiques. Ainsi, les successions dans l’Est des États-Unis et du Sud de l’Ontario montrent une transition similaire de calcaires d’eau tropicale à des calcaires d’eau plus tempérée. Cependant, pour cette même époque, les calcaires présents au lac Saint-Jean, à Manicouagan et dans l’Ouest de l’île de Terre-Neuve sont caractérisés uniquement par des indicateurs sédimentaires et fauniques d’eau tropicale. Toutes les reconstitutions des continents à l’époque considérée localisent ces trois derniers sites à proximité de l’équateur. La limite entre les conditions marines chaudes et fraîches se situait donc entre les positions actuelles de la ville de Québec et de la région du lac Saint-Jean, soit approximativement à 15 degrés de latitude sud. Par analogie avec les ceintures climatiques modernes, la zone tropicale formerait une mince bande centrée sur l’équateur qui ne s’étendrait pas plus au nord que la latitude du Panama et, au sud, de celle de Rio de Janeiro. Ainsi, sur un intervalle de temps très court à l’échelle géologique (3 à 16 mille ans), la zone tropicale marine chaude fut coupée de moitié, passant de 30 à 15 degrés de latitude.
La cause de ce changement climatique : Gondwana sous les glaces
Cette ancienne époque, connue comme l’Ordovicien tardif, est caractérisée par l’englaciation totale d’un grand continent aujourd’hui disparu appelé Gondwana. La glaciation a atteint son paroxysme seulement 10 millions d’années après la transition observée dans les sédiments calcaires de l’Est de l’Amérique du Nord. Ceci indique que le refroidissement global de l’hydrosphère menant à ou causé par cette glaciation s’est effectué sur une assez longue période de temps.
La transition de calcaires d’eau marine chaude à tempérée s’explique grâce aux études de distribution globale des organismes marins ordoviciens. Ainsi, avant cette transition, une nette distinction s’observe entre les faunes marines des zones australes et tropicales. Cependant, une migration coïncide avec la transition relevée dans les calcaires. Ces faunes se déplacent avec les grands courants océaniques. Il est démontré thermodynamiquement que des courants marins froids peuvent migrer dans les zones tropicales tant et aussi longtemps qu’une barrière thermique créée par la rencontre avec un courant chaud n’est atteinte. Il y a près de 440 millions d’années, des courants océaniques froids originant des mers australes ont pu migrer vers l’équateur amenant un changement majeur dans la nature du sédiment calcaire déposé dans la zone actuelle des Basses-Terres du Saint-Laurent du Québec.
La question fondamentale reste à savoir pourquoi, soudainement, les patrons de circulation océanique furent altérés. Trois hypothèses, probablement complémentaires les unes aux autres, peuvent être invoquées pour expliquer le refroidissement de l’hydrosphère. En premier lieu, il est possible que ce refroidissement soit relié à l’initiation de la glaciation majeure de Gondwana. Une seconde possiilité repose sur le déplacement d’une grande masse continentale produisant une modification dans les patrons de circulation océanique. Un de ces anciens grands continents (Baltica) s’est en effet déplacé sur une grande distance sur un intervalle de temps relativement court. Finalement, cette époque est également caractérisée par un intense volcanisme relié au premier épisode de construction des Appalaches ; une grande quantité de cendres volcaniques dans la stratosphère a certainement pu résulter en un refroidissement important de l’hydrosphère. L’exemple récent d’une seule crachée (Pinatubo) est à cet effet très instructif.
Quelle que soit la cause fondamentale de cet ancien changement climatique global, il n’en reste pas moins que l’étude des successions calcaires permettra peut-être de reconstituer une partie jusqu’alors inaccessible de l’histoire de notre planète. Ces données d’un passé lointain permettront alors d’estimer un peu mieux notre avenir climatique incertain.
* Ce texte est une contribution de Denis Lavoie