Développement du thermomètre Δ47 appliqué sur coccolithes : de la calibration en laboratoire à l’applicabilité au registre sédimentaire

Development of a coccolith-based Δ47 thermometer : from laboratory cultures to the applicability to the sedimentary archive

• Auteur / Autrice : Amandine Katz
• Direction : Pierre Cartigny
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'univers. Géochimie
• Date : Soutenance le 05/07/2017
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique du globe (Paris ; 1921-....)
• Jury : Président / Présidente : Stefano M. Bernasconi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Cartigny, Stefano M. Bernasconi, Emmanuelle Pucéat, Cédric John, Claire Rollion-Bard, Michaël Hermoso, Magali Bonifacie
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuelle Pucéat, Cédric John

Mots clés

Mots clés contrôlés

Anoxie

Paléoenvironnement

Toarcien

Sédiments marins

Paléoclimatologie

Coccolithes

Eau -- Température

Thermométrie

Mots clés libres

Thermométrie Δ47

Température des océans de surface (SST)

Coccolithes

Effets vitaux

Cultures en laboratoire

Sédiments océaniques de surface

Toarcien

Evénements d’anoxie océanique (OAE)

Thermometry Δ47

Sea surface temperature (SST)

Coccoliths

Vital effects

Laboratory cultures

Core tops

Toarcian

Oceanic Anoxic Event (OAE)

Résumé

Le géothermomètre Δ47 est basé sur la relation entre l’abondance des liaisons 13C–18O des carbonates et la température de calcification. Ce proxy contourne potentiellement les limites des autres thermomètres (δ18O, Mg/Ca) pour reconstruire les paléo-températures des océans, expliquant son développement exponentiel depuis dix ans. Cette thèse teste pour la première fois le potentiel et les limites de la thermométrie Δ47 sur les coccolithes, des nannofossiles calcaires produits par des organismes calcifiants dans la zone photique. Ces biominéraux calcitiques et ubiquistes constituent une part importante de l’archive sédimentaire. Des cultures in vitro nous ont permis d’établir que trois espèces de coccolithes actuelles enregistrent la même relation Δ47 – T que la calcite inorganique, alors qu'elles présentent de très larges effets vitaux en δ18O (±5‰). Nous concluons que ces espèces de coccolithes d'importance géologique ne présentent pas d’effets vitaux en Δ47. Nous avons ensuite appliqué le Δ47 à l’étude des sédiments enregistrant l’événement d’anoxie océanique du Toarcien (–183 Ma) au cours duquel les reconstructions de températures restent encore ambigües, notamment du fait de la méconnaissance de la composition isotopique en oxygène de l’eau de mer. Sur la base des données Δ47 acquises, nous proposons des températures élevées (de l’ordre de 36°C), mais restant relativement stables sur l'intervalle d'étude. En couplant ces températures aux données de δ18O des carbonates, nous suggérons une variation importante du δ18O de l'eau de mer dans le Bassin de Paris lors de la mise en place des faciès black shales. Enfin, sur des sédiments pélagiques subactuels, l’une des espèces étudiées présente des déséquilibres isotopiques en Δ47 non observés en culture et explicables par d’autres paramètres environnementaux comme l’intensité lumineuse. Cette thèse illustre le potentiel du thermomètre Δ47 des coccolithes en différents contextes, ouvrant un vaste champ d’application de reconstruction des paléo-environnements sur le Méso-Cénozoïque

The Δ47 geothermometer relies on the relationship between the 13C–18O abundance in carbonateand temperature of calcification. This proxy has the potential to overcome limitations of other thermometers(δ18O, Mg/Ca) to reconstruct oceanic paleotemperatures. This thesis evaluates for the first time the potentialand the limitations of the Δ47 thermometry of the coccoliths, the calcareous nannofossils produced byorganisms calcifying in the photic zone. These calcitic and ubiquitous biominerals represent an importantpart of the sedimentary archive. In vitro cultures allow us to establish that three modern coccoliths speciesrecord the same Δ47–T relation than inorganic calcite, although exhibiting substantial δ18O vital effects(±5‰). We conclude that these coccoliths species do not present any Δ47 vital effect. We subsequentlyapplied the Δ47 proxy to sediments from the Toarcian oceanic anoxic events (–183 Ma) during which thetemperatures reconstructions are still elusive, mainly due to the unknown oxygen isotopic composition ofseawater. On the basis of our Δ47 data, we infer relatively high, yet steady temperatures (around 36°C) duringthe examined interval. By combining these Δ47-derived temperatures to carbonate δ18O data, we can suggestdrastic change in the seawater δ18O composition in the Paris Basin at the onset of black shale deposition. Acore top calibration of Δ47 of coccoliths revealed that one of the studied cultured species exhibits Δ47disequilibrium that is accountable by other environmental parameters, such as light irradiance in the naturalenvironment. Thus, this thesis illustrates the potential of the coccolith Δ47 thermometer in different settings,opening a wide range of application to reconstruct the palaeoenvironments over the Meso-Cenozoic Eras