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La circulation Atlantique Méridienne de Retour (ou Atlantic Meridional Overturning Circulation, AMOC) joue un rôle fondamental sur la régulation du climat, en redistribuant chaleur, nutriments et sel à l’échelle de l’océan global. La plupart des travaux paléocéanographiques précédents ont permis de renseigner les variations de la production des eaux profondes Nord Atlantique (North Atlantic Deep Water, NADW) depuis le Dernier Maximum Glaciaire (DMG), en démontrant en particulier la réduction (pendant le DMG) voire l’arrêt total (pendant le Younger Dryas YD ou l’événement de Heinrich 1 H1) de la production des NADW, compensées par des changements importants des flux d’eaux intermédiaires et profondes provenant de l’Hémisphère Sud. Pourtant, le rôle des masses d’eaux intermédiaires lors de ces événements reste encore à documenter. Par ailleurs, des résultats contrastés dans l’Atlantique ont mis en évidence l’augmentation de l’extension des eaux Antarctique Intermédiaires (Antarctic Intermediate Water, AAIW) dans l’ensemble des bassins océaniques pendant les événements froids enregistrés dans l’Atlantique Nord tandis que d’autres travaux suggèrent l’absence de contribution de ces masses d’eau. Il est donc crucial de reconstituer l’extension et la dynamique des masses d’eaux intermédiaires pour mieux comprendre les relations entre les variations de la circulation océanique dans l’Atlantique et dans l’Océan austral, et l’impact de ces changements sur le cycle global du Carbone.

Ce projet de recherche a donc pour objectif de tracer les changements de source et de dynamique des masses d’eau intermédiaires dans l’Atlantique Nord Est, par une étude multi-traceurs basée sur les foraminifères benthiques de 2 carottes de sédiments marins à profondeur d’eau intermédiaire.

Mots clés : Atlantique Nord Est ; Masses d’eaux intermédiaires ; Foraminifères benthiques ; Dernier Maximum Glaciaire ; Isotopes stables (δ¹⁸O, δ¹³C) ; Rapports élémentaires (Mg/Ca, Sr/Ca, Li/Ca, Ba/Ca, Cd/Ca, U/Ca) ; Isotopes du Nd (εNd).

AFrican humid periods Recurrence and aeOlian dust signal over West Africa during the last two CLIMatic cycles

Financement

INSU-LEFE-IMAGO 2018 (2018-2021)

Porteuse du projet

C. Skonieczny (GEOPS)

Collaborations

A. Bory (LOG, Université de Lille), V. Bout-Roumazeilles (LOG, Université de Lille), B. Malaizé (EPOC, Université de Bordeaux), C. Colin (GEOPS).

Au cours du Quaternaire, les variations d’insolation reçues au niveau du continent africain ont régi la dynamique de la mousson dans cette région engendrant ainsi une récurrence de périodes d’intenses précipitations. Ces périodes humides africaines (AHPs) se caractérisent par une transformation majeure du cycle hydrologique du Sahara favorisant ainsi le développement de vastes réseaux fluviatiles, de la faune et de la flore tropicales dans une région actuellement hyperaride. Dans le contexte actuel de réchauffement, les mécanismes et réponses environnementales associés à ces périodes de basculement brutal entre deux états climatiques extrêmes demeurent cruciaux à comprendre afin d’améliorer les projections climatiques. Au cours des deux derniers cycles climatiques qui couvrent les derniers 240 ka, huit AHPs ont été identifiées. De nombreuses études se sont intéressées aux mécanismes associés à l’initiation et la terminaison de la dernière AHP qui s’est produite au début de l’Holocène, mais ce sujet reste controversé malgré ces efforts. Un facteur compliquant la compréhension de cette AHP Holocène réside possiblement dans le fait qu’elle correspond à une période où l’obliquité et l’insolation locale atteignent leurs maxima de façon relativement synchrone ne permettant pas de clairement distinguer leurs rôles respectifs. Dans le cadre de ce projet, nous proposons de nous intéresser aux sept autres AHPs identifiées au cours des deux derniers cycles climatiques dans le but d’apporter de nouveaux éléments de discussion à ce débat. Nous proposons d’étudier le matériel terrigène éolien enregistré de façon continue dans une carotte sédimentaire marine localisée au niveau de la marge Ouest Africaine en Atlantique Tropical Nord-Est. L’étude de ce matériel terrigène apporté par voie atmosphérique depuis le Sahara et le Sahel au cours de ces AHPs, fournira, en plus des informations sur la circulation atmosphérique (direction et intensité des vents), des informations précieuses sur sa provenance et les changements de conditions environnementales régnant au niveau de ces sources. L’objectif étant, in fine, d’améliorer notre compréhension des mécanismes associés à la récurrence de ces variabilités rapides du climat dans cette région du monde particulièrement vulnérable.

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Source Figure:  Skonieczny et al., 2019 – Science Advances. Mises en évidence de l’expression des AHPs sur différents engistrements paléoclimatiques africains et contexte orbital au cours des deux derniers cycles climatiques.

Thèse associée

Maxime Leblanc

BIOlogical Productivity changes and their leverage on the Carbon and Oxygen cycles during the last Deglaciations

Financement

INSU-LEFE-IMAGO 2019 (2019-2022)

Porteuses du projet

S. Duchamp-Alphonse (GEOPS) et A. Landais (LSCE)

Collaborations

M. Brandon (GEOPS/LSCE), M. Kageyama (LSCE), L. Bopp (LMD), E. Michel (LSCE), D. Roche (LSCE), G. Siani (GEOPS), F. Prié (LSCE), T. Extier (LSCE), T. Blunier (Université de Copenhague) et F. Manssouri (LSCE).

Depuis les années 50, l’augmentation des émissions de CO₂ a amplifié l’effet de serre naturel de la Terre, qui se traduit par une diminution de la couverture de glace, l’augmentation du niveau marin, et la récurrence d’évènements météorologiques et climatiques extrêmes, avec des conséquences importantes sur les systèmes naturels et humains. Les rôles importants de la circulation océanique (en particulier dans l’océan austral) et de la productivité biosphérique dans les variations de pCO₂ atmosphérique, ont été clairement identifiés. Cependant, les processus à l’origine de leurs variations et leurs impacts sur les écosystèmes depuis la révolution industrielle mais aussi en contexte pré-anthropique restent mal contraints, ce qui restreint notre compréhension du système climatique futur.
Plus particulièrement, au cours des derniers 800 ka, bien qu’une part importante des augmentations de pCO₂ atmosphériques observées pendant les déglaciations soit attribuée à la revigoration des upwelling austraux qui favorise le dégazage de CO₂ depuis le réservoir océanique profond vers l’atmosphère, l’amplitude du changement de pCO₂ est aussi fonction de la productivité biologique, dont la dynamique est encore mal connue dans le passé.
L’objectif de ce projet est de mieux quantifier les changements de productivité biologique et leurs impacts sur les cycles du carbone (C) et de l’oxygène (O) au cours de déglaciations du Quaternaire, en combinant les expertises de plusieurs laboratoires franciliens (GEOPS, LSCE, LMD), pour coupler des approches empiriques nouvelles et complémentaires avec des expériences de modélisation globales du climat.
Concrètement, des mesures de la composition en ∆¹⁷O de la carotte EDC, prélevée en Antarctique, permettra de quantifier l’oxygène photosynthétique global des derniers 800 ka. La calibration du signal Br_XRF/Ca_XRF d’une carotte sédimentaire australe en termes de COT/CaCO₃ exporté, via une approche micropaléontologique et géochimique, permettra de quantifier les changements d’efficacité de la pompe biologique d’une région clé dans les échanges de CO₂ entre Océan et Atmosphère au cours de cette période de temps. L’utilisation de sorties de modèles de biogéochimie océanique et de végétation facilitera les comparaisons des résultats empiriques.

PALeoventilation MEDiterranean Sea – Traçage et paléo-ventilation des masses d’eau intermédiaires et profondes en Méditerranée depuis la dernière période glaciaire.

Financement

INSU-LEFE-IMAGO 2019 (2019-2021)

Porteur du projet

C. Colin (GEOPS)

Collaborations

C. Colin (GEOPS), G. Siani (GEOPS), M. Duhamel (GEOPS), S. Zouari (GEOPS/GEOGLOB – Univ. Sfax) N. Tisnerat-Laborde (LSCE), F. Thil (LSCE), Dapoigny (LSCE), M. Revel (Géoazur, Nice), K. Tachikawa (CEREGE, Aix-Marseille), S. Toucanne (IFREMER, Brest), E. Ducassou (EPOC, Bordeaux), M. Paterne (LSCE, Gif-Sur-Yvette), N. Kallel (GEOPS/GEOGLOB – Univ. Sfax).

Ce projet vise à tester les différents scenarii hydrologiques ayant conduit à des modifications de la circulation thermohaline en Méditerranée au cours de la dernière période glaciaire et de la dernière déglaciation. L’objectif est de mieux contraindre les mécanismes à l’origine des modifications hydrologiques lors des évènements climatiques rapides de la dernière période glaciaire et de leurs éventuels impacts sur la mise en place des dépôts riches en matière organique (i.e. ORL, sapropèles). Pour cela, nous proposons de restituer les variations hydrologiques des masses d’eaux intermédiaires et profondes en Mer Méditerranée centrale (mer Ionienne, détroit Siculo-Tunisien, et ouest de la Méditerranée occidentale au niveau du chenal de Sardaigne et de Corse). Nous utiliserons la différence d’âge ¹⁴C entre les masses d’eaux profondes, intermédiaires et de la surface afin de déterminer les changements de ventilation des masses d’eaux intermédiaires et profondes. Ces analyses seront réalisées à partir d’une nouvelle génération de spectromètre de masse par accélérateur ECHoMICADAS qui permet de dater par la méthode du carbone 14 des échantillons contenant seulement 20 µg de C. Ces résultats seront combinés au traçage de l’origine des masses d’eau à partir de la composition isotopique du Nd des foraminifères planctoniques (pour la période plus récente que 30 ka de l’intervalle de temps étudié). Les analyses des isotopes du Nd de foraminifères et du δ¹³C de foraminifères benthiques seront également réalisées autour du sapropel S3 (au delà de l’échelle d’âge C-14) afin de contraindre l’hydrologie à l’origine de cet événement anoxique sous des conditions environnementales glaciaires (niveau marin, apports d’eau douce du continent africain et connexion hydrologique au niveau du détroit de Gibraltar différents des conditions environnementales lors du dépôt du sapropel S1).

Schéma général de l’hydrologie des masses d’eaux intermédiaires en Méditerranée et localisation des carottes sélectionnées pour le projet PALMEDS.

Thèse associée

Maxence Duhamel, Sounda Zouari

REconstructing the influence of Climate change on lAterite formation

Financement

ANR 2017 (2018-2021)

Porteuse du projet

C. Gautheron (GEOPS)

Collaborations

S. Sepulcre (GEOPS), F. Haurine, C. Quantin (GEOPS), D. Calmels (GEOPS), R. Pinna-Jamme (GEOPS), G. Monvoisin (GEOPS), J. Nouet (GEOPS), J. Roques (IPN), T. Allard (IMPMC), G. Morin (IMPMC), E. Balan (IMPMC), M. Guillaumet (IMPMC), J. Bouchez (IPGP), C. Rollion-Bard (IPGP), P. Agrignier (IPGP), Z. Fekiacova (CEREGE), I. Basile-Doelsch (CEREGE), A. Guihou (CEREGE), B. Angeletti (CEREGE), J.-Y. Roig (BRGM), G. Aertgeerts (BRGM), M. Dall’Asta (TOTAL), J.-P. Girard (TOTAL), J. Braun (GFZ, Germany), A. Horbe (IG, Brazil), G. Bueno (LABOGEF, Brazil), L. Cherem (LABOGEF, Brazil)

Laterites are deep weathering covers of the critical zone that occupy 80% of the total soil-mantle volume of the Earth’s landscape and significantly participate to the global geochemical budget of weathering and erosion, and greenhouse gas consumption. Despite their factual importance on Earth surface, the timing of their formation and evolution in response to climatic and geodynamic forcing are still obscure. The originality of the RECA project is to combine chronometric, weathering and climatic proxies developed in the recent years in order to build a comprehensive and predictive scenario of laterite formation and evolution. We will concentrate our effort on geodynamically stable Guyana Shield and Central Amazonia regions, where laterites formed through the whole Cenozoic and can be associated with major geomorphological units. This ambitious multidisciplinary project proposes, for the first time, to perform absolute dating of lateritic duricrusts associated to five episodes of planation in the South American subcontinent. We will date mineralogically well-identified populations of iron oxides and oxyhydroxides (hematite, goethite) and clays (kaolinites) by using (U-Th)/He, (U-Th)/Ne and electron paramagnetic resonance spectroscopy, respectively. The inherent complexity of weathering materials, which may contain different populations of a same secondary mineral related to distinct stages of lateritization will be taken into account. The timing of duricrust formation will then be related to paleoclimatic conditions (temperature, rainfall) derived from a combination of geochemical or mineralogical indices and proxies: (i) at global scale, through, e.g., the known continental drainage curves; (ii) at a more regional scale through the intensity of weathering, the ratio hematite/goethite or O and H isotope systems of kaolinite and iron oxides and oxyhydroxides. We will also associate non-conventional Li, Si and Fe isotopic methods that will help to decipher the evolution of weathering processes linked to the various stages of laterite formation. Coupling weathering budget and the ages of weathering profiles will yield average weathering and erosion rates, allowing comparison with other weathering environments or paleo-environments at the Earth surface.

Interactions entre les différents processus (climat, géodynamique globale) œuvrant à plusieurs échelles de temps sur l’évolution des surfaces latéritiques du bouclier amazonien, dont la mise en place est estimée par différents géochronomètres ou traceurs géochimiques (datations Ar/Ar, 36Cl) Yu et al., Elements, 2015.

Evolution Post-glaciaire du lac Urmia (Iran) : milieu actuel et Reconstitutions paléoEnvironnementales pour une compréhension des impacts naturels et anthropiques

Financement

INSU-TelluS-SYSTER 2019

Porteuse du projet

A. Tudryn (GEOPS)

Collaborations

E. Gibert-Brunet (GEOPS), P. Tucholka (GEOPS), A. Noret (GEOPS), S. Miska (GEOPS), M. Massault (GEOPS), O. Dufaure (GEOPS), M. Djamali (IMBE), H. Motavallianbaran (Univ de Téhéran), M. Lankarani (Univ. Téhéran), H. Ahmady-Birgani (Univ. Urmia), H. Lahijani (INIOAS, Téhéran), A. Sharifi (INIOAS), M. Shah-Hosseini (INIOAS).

Le lac Urmia est un des plus grands lacs salins du monde. Depuis les années 1980, il a été confronté à des troubles environnementaux et son niveau a chuté de plus de 7 m au cours des 15 dernières années. Bien que soumise à controverse, la baisse du niveau de l’eau a été attribuée à des précipitations en déclin de -10% et à des causes anthropiques (construction de nombreux barrages sur les rivières alimentant le lac, pompage abusif des eaux souterraines). Cependant, malgré la surexploitation évidente de l’eau, les rôles respectifs des facteurs naturels et anthropiques influençant le bassin versant du lac ne sont pas encore quantifiés.

Le principal objectif du projet est de déchiffrer les tendances de l’évolution environnementale du lac depuis le dernier maximum glacier et d’identifier les changements naturels et anthropogènes de l’Holocène, en se basant sur les analyses des sédiments lacustres et des eaux du lac et des aquifères. Les résultats seront intégrés dans 1) des plans de gestion durable des ressources en eau et écologiques à l’échelle régionale, 2) des études du climat à l’échelle supra-régionale (Iran de l’Ouest et Anatolie se trouvent dans la zone d’influence de la Méditerranée de l’Est et lient l’Europe du Sud, l’Afrique du Nord et l’Asie), et à l’échelle globale pour des corrélations précises des variations du climat avec d’autres enregistrements terrestres et marins.

Ces objectifs seront atteints grâce à trois grandes étapes:

• La mise en place du système de référence hydrologique du lac, décodant tous les aspects actuels tels que bilans en eaux et caractérisation hydrogéochimique de chaque flux ;
• La reconstruction, à résolution temporelle élevée (chronologie certifiée), des changements environnementaux du Quaternaires tardifs dans la zone lacustre en vérifiant les indicateurs / marqueurs sédimentologiques, hydrochimiques et biologiques ;
• L’identification des impacts naturels (climat, séismes) et humains sur les hydro-environnements passés du lac et son bassin versant.

South-Est Pacific Ocean Reservoir Age – Estimation des âges ¹⁴C du réservoir océanique dans le sud-est Pacifique

Financement

INSU-LEFE-IMAGO 2016 (2016-2018)

Porteur du projet

G. Siani (GEOPS)

Collaborations

G. Delpech (GEOPS), S. Duchamp-Alphonse (GEOPS), E. Michel (LSCE)

Projet / Programme

Action « Interactions Multiples dans l’Atmosphère, la Glace et l’Océan » (IMAGO)

L’océan Austral (OA) joue un rôle primordial sur le système climatique global. En effet, un élément clé de la circulation thermohaline est le chemin de retour des masses d’eau depuis l’océan profond vers la surface via la dynamique des upwellings. Ce processus est en grande partie contrôlé par la position latitudinale et l’intensité des vents d’ouest (westerlies). L’étude de l’OA et de ces upwellings est devenu une priorité ces dernières années pour une meilleure compréhension du système climatique, car ils contrôlent notamment la quantité de chaleur et de carbone transféré depuis le réservoir océanique plus profond vers l’océan de surface et l’atmosphère. L’établissement de modèles d’âge précis des archives marines et continentales est donc un point crucial pour mieux comprendre les mécanismes, la fréquence temporelle et la répercussion géographique qui régissent les interactions océan-climat. Un prérequis nécessaire pour établir des modèles d’âge robustes en milieu marin est la quantification des âges ¹⁴C du réservoir de l’océan de surface (R_surf) qui est principalement lié à la décroissance du ¹⁴C dans la colonne d’eau et au mélange entre les différentes masses d’eau, c’est à dire à la circulation océanique. Des marqueurs stratigraphiques régionaux comme les téphras volcaniques issus de carottes marines et d’archives terrestres sont utilisés pour restituer R_surf dans le passé. L’objectif scientifique de ce projet repose sur une étude de tephrochronologie marine et continentale détaillée à partir de séries sédimentaires réparties selon un transept N-S le long de la marge sud-chilienne (Figure 1 ; 40°S et 46°S). Une approche par ablation laser sur monoesquilles volcaniques par analyse sur LA-ICP-MS-HR permet une meilleure discrimination des sources volcaniques nécessaire à garantir des corrélations robustes entre tephra marins et continentaux. Cela permet une estimation indépendante des variations de R_surf et facilitera l’établissement de modèles d’âge précis des enregistrements climatiques marins sur tout le pourtour sud-est Pacifique. Ces données sont nécessaires pour contraindre i) le temps de ventilation des eaux océaniques intermédiaires et profondes et la profondeur de remontée de la cellule des upwellings dans l’OA ii) les mécanismes climatiques contrôlant la circulation océanique dans cette région et à plus grande échelle sur le cycle du carbone depuis la dernière période glaciaire.

Ce projet s’insère dans le cadre de la thèse de doctorat de Consuelo Martinez Fontaine (Estimation des âges ¹⁴C du réservoir océanique de surface et profond dans le secteur sud-est Pacifique de l’Océan Austral depuis la dernière période glaciaire).

Thèse associée

Consuelo Martinez Fontaine

MAGnesium thermometer Improvement for assessing Climate Sensitivity

Financement

INSU-LEFE-IMAGO 2016 (2016-2018)

Porteur du projet

F. Bassinot (LSCE)

Collaborations

S. Sepulcre (GEOPS), X. Pang (LSCE/GEOPS), H. Dang (LSCE), D. Blamart (LSCE), T. de Garidel-Thoron (CEREGE)

Pour mieux contraindre la sensibilité climatique, l’une des approches consiste à comparer les les changements passés de la température océanique avec les variations de gaz à effet de serre (GES) reconstruites dans les glaces. Ce type d’approche requiert la compilation de base de données de paléotempératures couvrant des périodes clés (e.g., le Dernier Maximum Glaciaire DMG), pour lesquelles nous disposons de données de GES issues des carottes de glace. Mais les exercices récents de compilation font ressortir, i) la difficulté de combiner des estimations provenant de traceurs différents, et ii) un certain nombre de problèmes spécifiques à chacun. C’est le cas des températures océaniques reconstruites par le rapport Mg/Ca des tests de foraminifères, pour lequel la compilation est rendue difficile en raison de trois problèmes principaux :

• I- l’incertitude relative à la taxonomie utilisée par les géochimistes ;
• II- l’hétérogénéité des protocoles de préparation des échantillons combinée au choix des calibrations ;
• III- l’absence de stratégie commune concernant la prise en compte (ou pas) de la salinité comme facteur potentiel pouvant affecter le signal Mg/Ca.

Afin de mieux contraindre ces difficultés, le projet MAGICS comporte trois volets principaux :

• 1. développer une stratégie permettant d’intégrer au mieux les données de Mg/Ca issues de différents laboratoires (ie. obtenues à partir de protocoles d’analyses différents) et leur appliquer une conversion en température aussi cohérente et robuste que possible ;
• 2. obtenir un nouveau jeu de données, contrôlé taxonomiquement, permettant de conclure quant au rôle potentiel de la salinité sur le thermomètre Mg/Ca et proposer une approche de correction ;
• 3. affiner la reconstruction des différences de températures océaniques de surface entre le DMG et l’actuel, avec un focus particulier sur la bande intertropicale et la Warm Pool du Pacifique ouest et se servir de ces données pour affiner l’estimation de la sensibilité climatique.

Carte des températures de surface de l’océan montrant la connexion entre Océans Pacifique et Indien et l’extension de la Warm Pool moderne (Températures supérieures à 28°C).

Thèse associée

X. Pang

Holocene North Atlantic Gyres and Mediterranean Overturning dynamic through Climate Changes

Financement

ANR (2013-2018)

Porteur des projets

C. Colin

Laboratoires partenaires

GEOPS (Univ. Paris Saclay, campus Paris Sud Orsay)
Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE/IPSL, CEA-CNRS-UVSQ)
EPOC-CNRS, Université de Bordeaux
CEREGE (CNRS-Univ. Aix-Marseille)
LPGNantes (Université de Nantes)
M2C (Université de Rouen)

Contexte

L’Atlantique Nord joue un rôle fondamental dans le climat européen via son système de circulation océanique méridienne dite « AMOC » (pour Atlantic Meridional Overturning Circulation) dont la dynamique contrôle les budgets de sel et de chaleur de l’Atlantique Nord. L’intensité de la gyre subpolaire, régie principalement par la dynamique atmosphérique et les flux d’eau douce, contrôle aujourd’hui la limite Nord d’intrusion des eaux salées méditerranéenne et les flux d’eau de l’Atlantique subtropicale atteignant les hautes latitudes Nord. Sa dynamique joue ainsi un rôle primordial sur le climat Nord européen. Dans ce contexte les changements de la circulation thermohaline de la Méditerranée au cours des événements de dépôts des sapropèles et les échanges de masses d’eaux entre les bassins oriental et occidental d’une part et entre l’Atlantique Nord et la Méditerranée d’autre part restent encore relativement peu explorés et quantifiés. Par ailleurs, l’impact des changements de l’hydrologie qui s’opèrent en Méditerranée sur la marge européenne est très mal contraint alors même que ces eaux méditerranéennes peuvent jouer un rôle sur les budgets de sel de Atlantique Nord et sur la formation d’eau profonde Nord Atlantique.

Objectifs

Nos recherches visent à améliorer notre connaissance de l’hydrologie de la Méditerranée et de la marge européenne afin de restituer l’AMOC et la circulation thermohaline de la Méditerranée au cours des événements de dépôt de sapropel ainsi que du rôle que pourrait jouer cette dernière sur la circulation en Atlantique Nord.

Missions associées

Mingulay-Rockall, Ice-CTD

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Thèse associée

Maxence Duhamel