Caractérisation de la variabilité du climat holocène à l’ouest de l’Europe et du bassin de la Méditerranée à partir de l’étude haute résolution de spéléothèmes

Characterization of Holocene climate variability in the west of Europe and Mediterranean basin using high-resolution stalagmite records

• Auteur / Autrice : Jiaoyang Ruan
• Direction : Dominique Genty, Jean-Luc Michelot, Dominique Blamart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Météorologie, océanographie, physique de l'environnement
• Date : Soutenance le 16/09/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences Paris-Saclay (Orsay, Essonne ; 2004-....) - Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Christelle Marlin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Genty, Jean-Luc Michelot, Dominique Blamart, Christelle Marlin, Hai Cheng, Ana Moreno Caballud, Russell Drysdale, Farid Kherbouche
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Hai Cheng, Ana Moreno Caballud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Température atmosphérique

Précipitations (météorologie) -- Variabilité

Paléoclimatologie

Géochimie isotopique

Spéléothèmes

Mots clés libres

Spéléothèmes

Géochimie

Paléoclimat

Précipitation

Température

Téléconnection

Changement climatique

Holocène

Stalagmite

Speleothems

Geochemistry

Paleoclimate

Precipitation

Temperature

Teleconnection

Climate change

Holocene

Stalagmite

Résumé

Déchiffrer le climat de l’Holocène est la base d’une meilleure compréhension du climat moderne. En effet, à cette époque le climat en Europe est très complexe est montre de fortes variations spatiales et il reste beaucoup à faire pour améliorer la couverture géographique d’enregistrements bien datés et de haute résolution. En tant qu’archives paléoclimatiques, les spéléothèmes ont de larges avantages concernant leur chronologie et leur résolution temporelle et peuvent aider à combler cette lacune. Dans cette thèse, des stalagmites holocènes ont été sélectionnées selon un transect N-S entre les latitudes 35° et 65°N à l’ouest de l’Europe et du bassin méditerranéen (de la Suède à l’Algérie). Elles ont été datées densément par U-Th et échantillonnées à haute résolution pour analyser leur composition isotopique et géochimique. Le climat de l’Holocène a été déduit des analyses isotopiques de la calcite (δ¹³C, δ¹⁸O) et du rapport Mg/Ca. Combinées avec les données existantes et avec les simulations numériques des modèles, ces nouvelles données ont permis d’émettre des hypothèses sur les processus dynamiques contrôlant les changement climatiques régionaux comme les divers modes impliqués dans la circulation océanique et atmosphérique. Sur un site archéologique particulier, le lien climat/activités humaines a aussi pu être étudié. Les principaux résultats de cette thèse sont : 1) les enregistrements en δ¹⁸O, δ¹³C et Mg/Ca d’une stalagmite de la grotte de Villars (sud-ouest de la France), ont révélé une variabilité décennale à multimillénaire du climat au cours des derniers 14200 ans ainsi que les preuves d’une déforestation il y a environ 1000 ans ; 2) deux stalagmites provenant de la grotte de Villars au sud-ouest de la France et de la grotte Korallgrottan au nord-ouest de la Suède ont enregistré de façon remarquable l’événement climatique du 8.2 ka et les différentes étapes qui le composent montrant des différences régionales de température et d’humidité entre les deux sites. Celles-ci sont associées avec une interruption suivie d’une réorganisation de la circulation océanique et atmosphérique ; 3) les enregistrements en δ¹⁸O et en δ¹³C de deux stalagmites de la grotte de Villars suggèrent aussi l’existence d’une période humide multi-centennale il y a ~7200-7600 liée éventuellement à la fonte de la dernière portion de la calotte de la Laurentide ; 4) les isotopes stables (δ¹⁸O, δ¹³C) d’une stalagmite de la grotte du Père-Noël située au sud-est de la Belgique, révèle de larges variations hydro climatiques entre 10500 et 4200 ans. En particulier, une période sèche multi-centennale est mise en évidence il y a ~5600-6000 ans probablement liée à un changement des vents d’ouest ; 5) au nord de l’Algérie, dans la grotte de Gueldaman, plusieurs stalagmites ont montré, par leur δ¹³C et leur δ¹⁸O, l’impact d’une période sèche sur l’occupation humaine et finalement l’abandon du site par les hommes préhistoriques il y a ~4200 ans.

Deciphering Holocene climate is the basis to understand modern climate change. The Holocene climate of Europe is highly complex and shows large spatial differences; much is to be done to improve the spatial coverage of well-dated, high resolution climate records. Stalagmite as paleoclimate archive has large advantages in its chronology and their temporal resolution and thus can help in answering this question. In this thesis, stalagmites were collected, broadly along a meridional transect from 35 to 65°N, in the west of Europe and Mediterranean basin (from Sweden to Algeria). They were densely dated by the U-Th method and their isotopic and geochemical compositions were analyzed at high spatial resolutions. The Holocene climate was inferred from the stalagmite δ¹³C, δ¹⁸ and Mg/Ca time series. Combining with existent data and model simulations the collected new data was used to understand dynamic processes involved in driving regional change, such as varying modes of ocean and atmospheric circulation. Uniquely, the possible links between the changes of past climate conditions and human activities at an archeological site were examined, too. The main results of this thesis are summarized as: (1) The δ¹⁸O, δ¹³C and Mg/Ca records of a stalagmite from Villars Cave, Southwestern France document a series of decadal to multi-millennial climatic variations over the last 14200 years as well as deforestation ~1000 years ago; (2) The precisely-dated, sub-decadal δ¹⁸O, δ¹³C and Mg/Ca records of stalagmites from Villars Cave, SW-France, and Korallgrottan Cave, NW-Sweden, reveal multiple stage climatic variations in relation to the 8200 year event. Reconstructed variations in both temperature and humidity exhibit different patterns at the two sites, respectively, in the south and north of Europe, which can be associated with the interruption and reorganization of ocean-atmospheric circulation; (3) The δ¹⁸O and δ¹³C records of two stalagmites from Villars Cave suggest multi-century wetness ~7200-7600 years ago which possibly linked to the demise of last portion of Laurentide Ice Sheet; (4) The δ¹⁸O and δ¹³C records of a stalagmite from Pere Noël Cave, Southeastern Belgium reveal large decadal to millennial hydroclimate variations between 10500 and 4200 years ago. Particularly, multi-century enhanced aridity occurred ~5600-6000 years ago which probably had attributed to the changes in regional atmospheric circulation and the westerly jet; (5) The δ¹³C and δ¹⁸O records of two Mid-Holocene stalagmites from Gueldaman GLD1 Cave, Northern Algeria provide evidence of a prolonged drought ~4200 years ago in Western Mediterranean basin. The drought coincides with, and therefore may have contributed to, an abandonment of ancient human occupation of the cave.