Amélioration des outils géochimiques pour l'investigation des paléoenvironnements

Improvements of geochemical tools for palaeoenvironment investigations

• Auteur / Autrice : François Fourel
• Direction : Christophe Lecuyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'univers
• Date : Soutenance le 23/10/2014
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Evolution Ecosystèmes Microbiologie Modélisation (Lyon ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes et environnement (Lyon ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Reynard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Lecuyer, Bruno Malaizé, Federica Tamburini, André Mariotti
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anthony Fallick, Christian France-Lanord

Mots clés

Mots clés contrôlés

Carbonates

Phosphates

Climat

Paléoenvironnement

Mots clés libres

Paléoenvironnements

Climat

Réactions métaboliques

Phosphates

Carbonates

Isotopes stables

Spectrométrie de masse

Flux continu

Paleoenvironements

Climate

Metabolic pathways

Phosphates

Carbonates

Stable isotopes

Mass spectrometry

Continuous flow

Résumé

L'histoire des isotopes stables débute en 1913 avec les travaux de Frederick Soddy. Dès lors les techniques analytiques dans ce domaine vont constamment évoluer permettant de répondre à des questions scientifiques de plus en plus élaborées et d'investir petit à petit de plus en plus de domaines où leur capacité de traceur devient aujourd'hui indispensable. Ce travail présente d'abord une partie décrivant l'évolution des techniques de mesures des rapports isotopiques au cours des décennies, insistant sur l'apport fondamental du flux continu et en particulier de l'analyse élémentaire. Dans la deuxième partie nous allons illustrer l'importance des analyses isotopiques dans le domaine des reconstructions paléoenvironnementales afin de mieux appréhender l'histoire climatique de la Terre et de ses habitants à diverses époques. Ceci principalement au moyen des analyses 180/160 sur des matrices phosphatées ou carbonatées. La troisième partie est consacrée à l'utilisation des isotopes stables comme traceurs de certaines réaction métaboliques fondamentales sur des échantillons fossiles mais également sur du matériel actuel. Dans ce dernier cas, nous nous sommes également servis de la capacité des isotopes stables à être utilisés comme traceurs en abondance naturelle mais également en utilisant le marquage isotopique. Pour ce faire nous avons utilisé les signatures isotopiques 180/160 sur du matériel phosphaté mais également les rapports isotopiques 13C/12C et 15N/14N de la matière organique. La quatrième partie est consacrée plus particulièrement à des travaux de développement analytiques dans divers domaines. Tout d'abord nous nous sommes intéressés aux analyses isotopiques D/H et 180/160 des eaux. Nous proposons de nouveaux paramètres de correction des analyses isotopiques sur des eaux de salinités supérieures à l'eau de mer. Puis nous avons travaillé sur les analyses isotopiques 13C/12C et 180/160 des carbonates en proposant de nouveaux paramètres pour le fractionnement isotopique de l'oxygène entre les carbonates d'apatites et l'eau, les fractionnements isotopiques du carbone et de l'oxygène entre aragonite et calcite sur des organismes vivants actuels. Nous avons également développé une technique semi-automatique pour déterminer les signatures isotopiques en carbone et en oxygène de la calcite et de la dolomite dans des mélanges de proportions variables. Enfin nous avons tenté de quantifier la variabilité naturelle et la variabilité instrumentale des analyses isotopiques du carbone et de l'oxygène sur des microfossiles. Puis, nous nous sommes intéressés à un domaine représentant une part importante de notre travail analytique sur les analyses isotopiques 180/160 des phosphates biogéniques. En collaboration avec les fabricants d'instruments nous avons développé un nouveau système afin d'améliorer la qualité des analyses, de les automatiser le plus possible et de réduire la taille de la prise d'essai dans le but d'accéder à des échantillons de taille plus réduite. Enfin nous avons développé les analyses isotopiques du soufre toujours en collaboration avec les fabricants d'instrumentation, d'une part pour évaluer la capacité d'un nouveau système analytique à produire des analyses fiables sur des quantités limitées au sein de matrices complexes, et d'autre part, la capacité du même système à produire des analyses multi-isotopiques fiables sur les trois éléments N, C, S. Dans la conclusion de ce travail, nous revenons sur la contribution de nos divers travaux à l'évolution des techniques isotopiques en essayant d'évaluer dans l'avenir les nouveaux champs d'investigation de ces techniques tout juste centenaires

The history of stable isotopes began in 1913 with the work of Frederick Soddy. Since then, analytical techniques in that domain have been in constant evolution, providing answers to more and more elaborated scientific questions and spreading into various application fields where their tracing abilities have become extremely useful today. This work first describes the evolution of those analytical techniques through time and especially the fundamental step forward with continuous flow techniques especially through elemental analysis. For the second part we illustrate the importance of stable isotope analyses for paleoenvironmental reconstructions to better understand the climatic history of the Earth and its inhabitants from different periods. This is mainly based on 180/160 analyses from phosphatic or carbonaceous matrices. The third part is dedicated to the use of stable isotopes as tracers of various fundamental metabolic pathways from both fossil and actual samples. For this latter case we have used the capacity of stable isotopes to be used at natural abundance as well as artificially labelled. We have used 180/160 isotopic signatures from phosphatic samples as well as 13C/12C and 15N/14N from organic matter. The fourth part is dedicated to analytical developments covering several domains. First we investigated D/H and 180/160 measurements from waters. We are proposing new correction parameters for isotopic measurements from waters with salinity higher than sea water. Then we have dealt with 13C/12C and 180/160 isotopic analyses from carbonates and we suggest new parameters to constrain oxygen isotopic fractionation between carbonates from apatite and water as well as carbon and oxygen isotopic fractionation between calcite and aragonite from actual living organisms. We have also developed a new semi-automated technique to measure carbon and oxygen isotopic signatures from calcite and dolomite mixtures with various proportions. Then we have attempted to quantify the natural and instrumental variability of oxygen and carbon isotopic analyses from microfossils. An important part of this analytical work has been dedicated to 180/160 isotopic analyses from biogenic phosphate material. ln collaboration with instrument manufacturers we have developed a new system to improve both quality and automation of those measurements as well as reduce the aliquot sizes in order to get access to smaller samples. Eventually we have developed sulfur isotopic analyses in collaboration with instrument manufacturers to evaluate the capacities of a new analytical setup to generate reliable N, C, S multi- isotopic analyses. Last, we summarize the contribution of this work to the evolution of stable isotope techniques and we try to evaluate the future fields of investigation for those techniques just over one hundred years old