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Comparaison de l’expression des cycles basses fréquences et des cycles hautes fréquences

La comparaison de l’expression des cycles de haute fréquence, des cycles basse fréquence et des
variations paléoclimatiques et paléoenvironnementales montre de fortes coïncidences. Ainsi, l’ITE entre -2200 ka et -1500 ka est caractérisé par un changement depuis une bonne vers une moins bonne expression des cycles haute fréquence. Cette transition coïncide également avec une expression temporaire des cycles à 1500 ans, avec le changement d’enregistrement d’amplitude des cycles de la grande et de la petite excentricité. A -750 ka, les cycles très haute fréquence basculent d’une mauvaise expression à une bonne expression. Ceci correspond à une augmentation de l’amplitude de la grande excentricité et à la baisse d’amplitude enregistrée pour la petite excentricité. Cette transition coïncide également avec la mise en place de l’intervalle humide de la fin de l’Eocène.
Enfin, la dernière transition dans l’enregistrement des cycles haute fréquence se produit à +300 ka. Ce changement est synchrone de la fin de l’ITE. A la lumière de ces résultats, il peut être suggéré que : 1) les sédiments du bassin de Rennes archivent des variations de mise en place de courants océaniques et de couplages océanatmosphère ; et que 2) ces modifications océano-atmosphériques d’échelle globale ont un impact de plus ou moins grande ampleur sur le climat local et sur les environnements. Ces interprétations peuvent maintenant être comparées à celle de la bibliographie.

Comparaison de l’expression des forçages avec les mises en place de courants océaniques et conclusions

La mise en place de courants océaniques ou la modification de ces courants au court de l’Eocène et durant la transition entre l’Eocène et l’Oligocène est un des points largement débattus dans la littérature (Borrelli et al., 2014, Figure IV-D.8), et participe aux incertitudes sur le doubthouse. Ce pendant à ce jour, aucune étude ne propose un calendrier précis de ces mises en place. Dans l’archive de Rennes, plusieurs changements attribuables à des modifications climatiques globales sont enregistrées. Dès -1750 ka, l’enregistrement des cycles à 1500 ans couplé à celui des cycles solaires et de l’ENSO/NAO, à la diminution de l’enregistrement des cycles de la grande et de la petite excentricité, peuvent être expliqués par une intensification ou la mise en place des transferts de chaleur (= la mise en place de courants océaniques) entre les basses et les hautes latitudes. En effet, le cycle à 1500 ans, probablement lié à l’activité solaire, s’enregistre lorsque la circulation thermohaline est effective (Bond et al., 1997 ; Bond et al., 2001 ; Debret et al., 2007). La mise en place de cette circulation thermohaline ou son renforcement sont étroitement liés à l’intensification de couplages de type NAO/ENSO (Brauer et al., 2008). D’ailleurs, dans l’archive de Rennes, cette hypothèse de mise en place de circulation thermohaline à -1750 ka coïncide avec l’enregistrement des cycles de hautes fréquences et avec la diminution d’amplitude de l’enregistrement de la grande et de la petite excentricité. Ces paramètres orbitaux, théoriquement bien exprimés aux basses latitudes, voient leur amplitude d’enregistrement perturbée du fait de l’intensification des transferts d’énergie entre les hautes et les basses latitudes : le transfert de chaleur induit le transfert des variabilités. Ces perturbations provoqueront le déplacement de la cellule de Hadley des basses vers les hautes latitudes à l’Eocène supérieur, déjà suggéré par Parish et al. (1982). La position de cette cellule a un impact direct sur les climats régionaux : lorsqu’elle est placée au sud, elle induit un climat à saison plus contrasté (Parish et al., 1982).
Cette hypothèse de déplacement de cellule de Hadley suite à l’intensification des courants océaniques à -1750 ka, entraînant la mise en place d’un climat à saisonnalités contrastées est appuyée par la mise en place de l’ITE à Rennes. Sur cet intervalle, les abondances et les proportions des grands groupes de végétaux sont fortement impactées par les variations de la grande excentricité. Or l’impact de ce paramètre sur la végétation ou la sédimentation est directement lié au type de climat : tropical ou tempéré (Matthews et Perlmutter, 1994). Sur ce même intervalle, Gale et al. (2006), montrent également que l’excentricité est enregistrée dans les sédiments du Hampshire, en raison de la mise en place d’un climat à saisons contrastées.
L’intensification de la circulation thermohaline à partir de -1750 ka peut être liée à l’ouverture du passage océanique de Drake (Livermore et al., 2005) et aux premières mises en place de calottes éphémères à l’Eocène supérieur. En effet, plusieurs études suggèrent que ces calottes éphémères
entraînent au moins une réorganisation de la circulation océanique, si ce n’est la mise en place d’un proto-courant arctique polaire (ACC ; Shackleton et Kennett, 1977 ; Zachos et al., 1996 ; Lagabrielle et al., 2009 ; Ladant et al., 2014 ; Borreli et al., 2014). Ce courant est l’un des acteurs principaux de la circulation thermohaline (Borreli et al., 2014). A partir de -750 ka, les cycles à hautes fréquences de types NAO/ENSO et solaires ne sont plus enregistrés dans les sédiments laminés. Ce début de changement coïncide avec une augmentation de l’amplitude de l’excentricité. L’hypothèse expliquant ce changement est une diminution de l’intensité de la circulation thermohaline. En effet, si la circulation thermohaline diminue, le cycle de l’excentricité jusqu’alors « masqué » par des échanges de chaleurs intenses entre les hautes et les basses latitudes, pourra mieux s’exprimer. De même, les oscillations climatiques de type NAO/ENSO diminuent d’intensité, voir s’arrêtent. Ce changement entraîne le retour de conditions globalement plus humides à Rennes : la saisonnalité est, certes, encore contrastée mais les conditions sont globalement plus humides. D’ailleurs cette augmentation de l’humidité peut être liée à l’intensification des moussons, suggérée à l’Eocène supérieur (Braconnot et al., 1999 ; Hubert et Goldner, 2012 ; Litch et al., 2014). A partir de -150 ka, les refroidissements climatiques globaux s’enregistrent dans le climat régional à Rennes. En effet, les première mises en place permanentes de glaces antarctiques entraînent des refroidissements globaux enregistrés à -150 ka et -100 ka. Cependant, ces variations brutales du climat ne semblent pas modifier durablement les températures et la végétation, bien que les conditions arides se mettent en place à partir de cette période. Il faut attendre +200 ka pour que le dernier refroidissement global Oi-1 affecte de façon permanente le climat régional. En effet, à ce moment, l’enregistrement des cycles NAO/ENSO et des cycles à 1500 ans à Rennes reprennent et sont effectifs jusqu’à la fin de l’intervalle de temps étudié. Il est possible de suggérer que ce moment où le système climatique bascule durablement du mode greenhouse (avec développement de glace ponctuel) au mode icehouse ait les plus importantes conséquences sur le climat régional. En effet, la transition entre le mode icehouse et le mode greenhouse entraîne la mise en place d’une circulation thermohaline durable au début de l’Oligocène ayant pour conséquence la modification des climats régionaux (Hubert et Nof, 2006 ; Xiao et al., 2010). D’ailleurs cette transition coïncide également avec l’ouverture totale du passage de Tasmanie (Pfuhl et McCave, 2005). Plusieurs auteurs proposent que les connexions de circulation des masses d’eaux profondes se mettent totalement en place à partir de +200 ka (Stickley et al., 2004 ; Scher et al., 2006 ; Livermore et al., 2007).

Table des matières

Table des matières
Liste des illustrations
Liste des Tableaux
Introduction
Partie I – Contexte scientifique et géologique
A. Contexte scientifique
A.1. La limite Eocène-Oligocène et la transition Eocène-Oligocène
A.1.1. Présentation générale
A.1.2. Positionnement stratigraphique.
A.2. Evènements enregistrés
A.2.1. Au niveau global (domaine marin)
A.2.1.1. Une chute des températures.
A.2.1.2. La mise en place de la glaciation antarctique
A.2.1.3. Une chute du niveau eustatique qui entraîne des hiatus sédimentaires, des érosions et des
changements minéralogiques
A.2.1.4. Une augmentation de la profondeur de compensation des carbonates (Calcite Compensation Depth, CCD)
A.2.1.5. Une modification de la circulation thermohaline et de la ventilation des océans
A.2.1.6. Des impacts sur la faune marine : une augmentation de la productivité et des extinctions
A.2.2. Au niveau régional (domaine continental)
A.2.2.1. Un changement faunistique et floristique majeur : la Grande Coupure
A.2.2.2. Des changements climatiques, une augmentation du gradient latitudinal et la mise en place
de saisons contrastées
A.3. Causes
A.3.1. Une chute de la pCO2
A.3.2. Des ouvertures océaniques
A.3.3. Des positions orbitales favorables
A.4. Objectifs de la thèse
B. Contexte géologique et site d’étude choisi
B.1. Les enregistrements sédimentaires continentaux d’âge Eocène-Oligocène en Europe
B.1.1. Les bassins d’avant pays alpins (Figure I-B.1)
B.1.1.1. Le Bassin Aquitain
B.1.1.2. Les bassins péri-alpins
B.1.1.3. Le bassin du Sud Est.
B.1.1.4. La péninsule ibérique
B.1.2. Les bassins de rift
B.1.2.1. Le Fossé Rhénan
B.1.2.2. Les Limagnes
B.1.2.3. Le Massif Armoricain
B.1.3. Les marges continentales
B.1.3.1. La Mer du Nord et la Mer Celtique
B.1.3.2. Le pourtour téthysien
B.1.4. Les bassins intracratoniques
B.1.4.1. Le Bassin Anglo-parisien
B.1.4.2. Le Bassin de Rennes
B.2. Les sédiments étudiés
B.2.1. Description des Formations
B.2.2. Environnements de dépôt
B.2.3. Découpage séquentiel
B.2.4. Modèle d’âge
B.2.5. Evolution des assemblages minéralogiques et polliniques
B.2.6. Les échantillons étudiés
Partie II – Clefs de lecture et méthodes
A. Clefs de lecture
A.1. Variation de l’apport de chaleur et répartition de la chaleur à la surface de la terre
A.1.1. Apports de chaleur externe à la Terre et conséquences climatiques
A.1.1.1. Les variations d’insolation : la modulation des paramètres orbitaux
A.1.1.2. Variation de l’activité solaire
A.1.2. Modulation de la répartition de la chaleur à la surface de la Terre : mécanismes climatiques
impliqués
A.1.3. La modulation d’enregistrement des paramètres orbitaux dans les sédiments : une information paleo environnementale
A.1.3.1. Une influence des paramètres orbitaux sur le niveau marin ?
A.1.3.2. Des modifications du cycle dominant liées à des modifications du système climatique
terrestre ?
A.1.3.3. Une sélectivité du cycle dominant enregistré selon les supports ?
A.2. L’enregistrement des paléoclimats et des paléoenvironnements dans la matière organique
sédimentaire lacustre
A.2.1. Reconstitution des conditions physico-chimiques et de l’environnement de dépôt
A.2.2. Informations sur les sources biologiques de la MO
A.2.2.1. La MO autochtone une échelle microscopique
A.2.2.2. La MO allochtone
A.2.3. Informations sur les paléoclimats
A.2.3.1. Reconstitutions de tendances climatiques générales
A.2.3.2. Reconstitution des températures
A.2.3.3. Reconstitution des conditions hydrologiques
B. Méthodes
B.1. Analyses du contenu organique
B.1.1. La pyrolyse Rock Eval
B.1.2. Le comptage palynofaciès
B.1.3. Identification et quantification des biomarqueurs lipidiques
B.1.4. Mesure des compositions isotopiques en carbone et en hydrogène
B.1.4.1. Détermination du δ13Corg
B.1.4.2. Détermination du δ13C et du δ2H des n-alcanes et du δ13C de la miliacine
B.2. Analyses non destructives des faciès laminés
B.2.1. L’analyse semi quantitative par microfluorescence des rayons X
B.2.2. La spectrométrie de masse d’ions secondaires à temps de vol
B.2.3. L’extraction du niveau de gris
B.3. L’analyse spectrale
B.3.1. Élimination de la tendance générale et technique de filtrage du signal
B.3.2. La méthode 2π-MTM
B.3.3. La Calibration orbitale
B.3.4. Vérification de la pertinence de la calibration : la méthode temps-fréquence
B.3.4.1. Les spectrogrammes d’amplitude
B.3.4.2. Les ondelettes
Partie III – Résultats
A. Résultats de l’étude du contenu organique des dépôts dans le cas d’analyses climatique
A.1. Résultats des analyses Rock Eval
A.1.1. Tmax
A.1.2. COT
A.1.3. IH
A.1.4. IO
A.2. Résultats des comptages palynofaciès
A.3. Résultats de l’analyse du δ13C sur la matière organique totale
A.4. Résultats de l’analyse des biomarqueurs
A.4.1. Biomarqueurs identifiés dans la fraction aliphatique
A.4.1.1. Les n-alcanes
A.4.1.1.1. La Carbone Preference Index, ou CPI (Bray et Evans, 1961)
A.4.1.1.2. Le Paq
A.4.1.1.3. L’ACL (Average Chain Lengh)
A.4.1.1.3. La somme des n-alcanes
A.4.1.2. Les dérivés de triterpènes pentacycliques : les des-A triterpènes
A.4.1.3. Les fernènes
A.4.1.4. L’onocérane
A.4.1.5. Les hopanes
A.4.1.6. Les stéranes
A.4.2. Biomarqueurs identifiés dans la fraction aromatique
A.4.2.1. Les diterpènes tricycliques aromatiques
A.4.2.2. Les triterpènes pentacycliques aromatiques
A.4.2.3. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP)
A.4.3. Biomarqueurs identifiés dans la fraction cétones
A.4.3.1. Les diterpènes tricycliques
A.4.3.2. Les triterpènes pentacycliques
A.4.3.3. Les hopanones
A.4.3.4. Les stéranones
A.4.4. Biomarqueurs identifiés dans la fraction polaire : les GDGTs
A.5. Résultats des analyses isotopiques sur composés spécifiques
A.5.1. δ2H des n-alcanes
A.5.2. δ13C des n-alcanes et de la miliacine
A.5.1.1. δ13C des n-alcanes
A.5.1.2. δ13C de la miliacine
B. Résultats de l’étude du sédiment laminé
B.1. Analyse statistiques des résultats de l’analyse du contenu élémentaire et de l’extraction du niveau gris
B.2. Analyse de portions au ToF-SIMS
B.2.1. Prospection des éléments et molécules présentes dans les échantillons et cartographie
B.2.2. Caractérisation de quelques particules organiques par ToF-SIMS
Partie IV – Discussion
A. Etude temporelle à basse et à haute fréquence
A.1. Etude temporelle à basse fréquence et définition du modèle d’âge
A.1.1. Rappel de la position des bornes par biostratigraphie et par magnétostratigraphie dans
l’enregistrement de Rennes
A.1.2. L’analyse spectrale et la calibration orbitale
A.1.2.1. Analyse spectrale du signal Gamma Ray
A.1.2.2. La calibration orbitale..
A.1.2.3. Pertinence des calibrations orbitales obtenues et calibration provisoire retenue
A.1.3. Discussion autour du modèle d’âge proposé
A.1.3.1. Comparaison du modèle d’âge retenu sur le même site
A.1.3.2. Comparaison du modèle d’âge retenu avec ceux réalisés sur d’autres sites
A.2. Etude temporelle à très haute fréquence : caractérisation du sédiment laminé
A.2.1. Description des sédiments laminés
A.2.2. Utilisation du niveau de gris et description de la démarche adoptée : la cyclostratigraphie
A.2.2.1. Utilisation du niveau de gris
A.2.2.2. La cyclostratigraphie gigogne
A.2.3. L’analyse spectrale et l’attribution des fréquences sédimentaires aux fréquences solaires
A.2.4. Discussion autour de la pertinence des cycles identifiés.
B. Préservation et sources de la MO
B.1. Etat de préservation de la MO
B.1.1. Maturité thermique
B.1.2. Diagenèse précoce et préservation de la MO
B.1.3. Diagenèse tardive : indice de combustion
B.2. Sources de la MO
B.2.1. Identification des sources principales de la MO
B.2.2. Comparaison statistique biomarqueurs – pollen
C. Evolution de la végétation, de l’environnement de dépôt, du climat et impact du climat sur la végétation et sur l’environnement de dépôt 
C.1. Evolutions de la végétation
C.2. Evolution des environnements de dépôts.
C.2.1. Rappel des conclusions environnementales issues des etudes précédemment menées
C.2.2. Etude de la MO
C.2.2.1. Description et caractérisation des « classes » d’environnement de dépôt déduites de
l’étude de la MO
C.2.2.2. Caractérisation des « classes » d’environnement basées sur la description de la phase
minérale et de la teneur en COT
C.2.2.3. Confrontation des « classes » d’environnement basées sur la description de la MO et de
phase minérale.
C.2.3. Confrontation des environnements de dépôt déduits de l’analyse couplée MO-minéralogie avec les données antérieures
C.3. Evolution du climat
C.3.1. Evolution des températures
C.3.1.1. Températures obtenues
C.3.1.2. Comparaison des températures obtenues avec celles déduites de l’utilisation d’équations
transfert basées sur la palynologie
C.3.2. Evolution des conditions hydrologiques
C.3.2.1. Interprétation du signal δ2H
C.3.2.2. Discrimination des effets température/hydrologie
C.3.2.2.1. Effet du type de plante sur le δ H des n-alcanes
C.3.2.2.1. Effet de la température sur le δ2H des n-alcanes
C.3.2.2.1. Evolution des conditions hydrologiques
C.3.3. Discussion de la déconvolution des évolutions hydrologiques et critiques de la méthode
C.3.3.1. Pertinence de la déconvolution : comparaison du signal brut (δ2Hn-C29), du signal déconvolué (δ2Hn-C29décon), du signal δ15N et palynologique
C.3.3.2. Limites de la méthode utilisée
C.4. Impact du climat sur l’environnement de dépôt et sur l’évolution de la végétation
C.4.1. Comparaison des évolutions climatiques à celles de l’environnement de dépôt et aux signaux minéralogique et palynologique
C.4.1.1. Comparaison des évolutions climatiques avec les environnements de dépôt
C.4.1.2. Comparaison des évolutions climatiques avec le signal minéralogique.
C.4.2. Comparaison des évolutions climatiques à celles de la végétation
C.4.2.1. Impacts du climat sur la végétation
C.4.2.2. Recherche de niveaux seuil climatiques expliquant les variations de végétation
C.4.2.3. Mise en place de l’Intervalle de Transition Environnementale (ITE) fini-Priabonien
C.4.3 Conclusions et problèmes soulevés
D. Recherche des forçages climatiques à l’origine des changements enregistrés à Rennes
D.1. Extension spatiale des forçages climatique : comparaison avec les enregistrements mondiaux et régionaux
D.1.1. Comparaison des changements paléoclimatiques et paléoenvironnementaux locaux avec les
changements enregistrés à l’échelle globale
D.1.2. Comparaison des changements paléoclimatiques et paléoenvironnementaux locaux avec les
changements enregistrés à l’échelle régionale (en domaine continental)
D.1.3. Extension spatiale des changements
D.2. Forçages à l’origine de la variabilité environnementale
D.2.1. Expression des cycles orbitaux sur l’enregistrement
D.2.1.1. Expression des cycles orbitaux dans la MO : explication des variations rythmiques de végétation
D.2.1.1. Expression des cycles orbitaux dans la MO : explication des variations rythmiques de végétation
D.2.2. Variabilité pluriannuelle et impacts sur la sédimentation
D.2.3. Comparaison de l’expression des cycles basses fréquences et des cycles hautes fréquences
D.3. Comparaison de l’expression des forçages avec les mises en place de courants océaniques et
conclusions
Conclusion Générale
Perspectives
Bibliographie
ANNEXE 1 – Article en preparation pour une soumission à Nature
ANNEXE 2 – Tableaux de valeurs

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