Evolution naturelle des éléments présents à l'état de traces (métaux lourds, métalloides, terres rares (REE) et isotopes du plomb) dans la carotte de glace EPICA/Dome C (Antarctique de l'Est) de 263,000 à 671,000 ans avant nos jours

Past natural changes in Trace elements, Rare Earth Elements (REE), mercury and lead isotopes in the EPICA/Dome C ice core (East Antarctica) from 263,000 to 671,000 yrs BP

• Auteur / Autrice : Alexandrine Marteel
• Direction : Claude Boutron
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre, de l'Univers et de l'environnement
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015) en cotutelle avec Università degli studi di Siena (Italia)

Mots clés

Mots clés libres

Carottes de glace

Métaux lourds

Mercure

Isotopes du plomb

Résumé

L’étude du climat implique nécessairement la collecte et le traitement d’une grande quantité de données obtenues par l’analyse d’archives climatiques telle que les carottes de glace. Dans ce contexte, ce travail présente le plus long enregistrement jamais obtenu d’éléments crustaux, métaux, métalloïdes, terres rares, mercure et isotopes du plomb. Cet enregistrement a été possible grâce à un forage récent réalisé en Antarctique de l’Est permettant d’obtenir une carotte de glace profonde (EPICA/Dome C, 3270 m). Ces éléments ont été étudiés dans de nombreuses sections de la carotte de glace EPICA/Dome C de 263 000 à 671 000 ans avant nos jours. L’analyse d’éléments crustaux, métaux, métalloïdes, terres rares, mercure ont été réalisées grâce à un spectromètre de masse à secteur magnétique couplé à un plasma induit. La caractérisation des isotopes du plomb et l’analyses de methylmercure et mercure inorganique ont quant à elles étaient rendues possible par l’utilisation d’un spectromètre de masse à ionisation thermique et d’un spectromètre de masse à temps de vol couplé à un plasma induit. Ces analyses ont toutes été effectuées en salle blanche. L’étude des éléments crustaux (V, Cr, Mn, Fe, Co, Rb, Ba et U) a permis de quantifier les variations naturelles des flux de ces éléments dans les glaces de l’Antarctique de l’Est de 263 000 à 671 000 ans avant nos jours. On a remarqué de fortes variations naturelles de concentration et de flux au cours de ces 6 cycles climatiques, avec des flux de retombées plus faibles pendant les périodes chaudes (interglaciaires) et des flux plus fort pendant les périodes froides (maxima glaciaires). De plus, ces apports augmentent brutalement en Antarctique de l’Est quand δD ≤ - 430‰. Pour la première fois, les terres rares ont pu être analysées dans une carotte de glace profonde. Les variations temporelles et la provenance des terres rares, d’origine crustale, dans l’Antarctique de l’Est ont été étudiées de 263 000 à 671 000 ans avant nos jours. Ainsi, l’origine géographique des éléments crustaux pendant les périodes glaciaires et interglaciaires a été précisée grâce à la comparaison de données de terres rares obtenues dans la carotte EPICA/Dome C et celles provenant de régions potentielles d’origine des aérosols de l’hémisphère austral. L’Australie et la province de Córdoba apparaissent comme étant les sources dominantes à part égales sur le plateau de l’Antarctique de l’Est au cours des maxima glaciaires peu prononcés (MIS 12. 2, 12. 4 et 14. 2). Différemment, les maxima glaciaires plus prononcés (MIS 8. 2, MIS 10. 2, 10. 4 et16. 2) montrent des ratios différents : ces éléments crustaux proviennent à 80-90% de la région de Cordoba et à 20-10% de l’Australie. Pendant les périodes interglaciaires, l’Amerique du Sud (Argentine du Sud, Argentine Centrale, et peut-être la Patagonie), les montagnes Transantarctiques (glacier Koettkitz) et l’Australie apparaissent comme étant les sources dominantes au Dome C. Les concentrations des métaux et des métalloïdes ont été mesurées de 263 à 671 ka BP afin d’examiner la variabilité à long-terme de ces éléments, d’évaluer les contributions de sources naturelles et les modes de transport. De fortes variations naturelles de concentration et de flux au cours de ces 6 cycles climatiques ont été observées, avec des flux de retombées plus faibles pendant les périodes chaudes (interglaciaires) et des flux plus fort pendant les périodes froides (maxima glaciaires). Cependant, certains métaux varient plus que d’autres. En particulier, l’approche isotopique du plomb apporte une contribution importante dans l’interprétation des variations de compositions de poussières d’origine crustale en Antarctique. Finalement, pour la première fois, le mercure total, le methylmercure et le mercure inorganique ont été mesurés dans une carotte de glace profonde. Cette analyse montre des concentrations qui varient considérablement au cours des derniers 671 000 ans, avec de faibles valeurs pendant les interglaciaires et de fortes valeurs pendant les périodes les plus froides. L’analyse de ces éléments a permis de déterminer les variations en paleoproductivité océanique et de mieux comprendre les procédés de dépôts de mercure au cours des derniers 671 000 ans.

The study of climate necessarily involves the collection and processing of large amounts of data gathered from polar ice cores which are an excellent way of finding how the climate has changed. In this context, I provide the longest records of crustal elements, metals, metalloids, rare earth elements, lead isotopes and mercury taking advantage of the 3270m EPICA/Dome C ice core located in East Antarctica. These elements have been studied in various sections of the EPICA/Dome C deep ice core from 263 ky to 671 ky BP. For crustal elements, metals, metalloids, rare earth elements and mercury, the analyses were performed by Inductively Coupled Plasma Sector Field Mass Spectrometry whilst the analyses of lead isotopes were performed by Thermal Ionization Mass Spectrometry and the analyses of mercury species (methylmercury and inorganic mercury) by Inductively Coupled Plasma Time of Flight Sector Field Mass Spectrometry, in clean room conditions. The study of crustal trace elements (V, Cr, Mn, Fe, Co, Rb, Ba and U) allowed to document large natural variations in the occurrence of several crust derived elements in Antarctic ice from 263 to 671 ky BP. I show that the concentrations were highly variable, with low values during warm periods (interglacials) and much higher values during the coldest stages (glacial maxima). The advection of crustal trace elements to the East Antarctic plateau is found to occur when a well-defined critical δD value (~ - 430‰) was reached. For the first time, the rare earth elements (REE) were analyzed in a deep ice core. The REE of continental origin windblown to the East Antarctica have been studied for their geographical provenance during this time period. In this way, crustal trace elements provenance in glacial and interglacials epochs has been identified through the rare earth elements signature and sediments from Potential Source Areas (PSA) of the Southern Hemisphere. During less pronounced glacial maxima (MIS 12. 2, 12. 4 and 14. 2) at Dome C in East Antarctica, REE show that dust materials come from at 50% to Australia and at 50% to Córdoba province whilst during more pronounced glacial maxima (MIS 8. 2, MIS 10. 2, 10. 4 and 16. 2) they come from at 90 to 80% to Córdoba province and at 10 to 20% to Australia. Moreover, Antarctic dust during interglacial periods consist of a mixture of South America (South Argentina, Central Argentina and perhaps Patagonia), the Transantarctic Mountains (Koettkitz glacier) and Australian materials. Metals and Metalloids concentrations have been performed from 263 to 671 ky BP in order to examine the long-term variability, from which important information about the contribution of various sources and the transport patterns can be inferred. The concentrations were highly variable with low values during warm periods and high values during cold periods. However, the maximum amplitude of the variations markedly differs from one element to another. In particular, lead isotopes data provide an important contribution to the developing understanding of the variation of continental dust compositions present across Antarctica. Finally, for the first time, total mercury, methylmercury and inorganic mercury have been measured in a deep ice core. It can be observed that concentration values varied considerably, with low values during interglacials and higher values during the coldest periods. The determination aimed at determining possible variations in oceanic paleoproductivity and Hg deposition processed over 671 ky BP.