Ecology of modern arctic benthic foraminifera within a context of climate change : case studies in the Chukchi Sea, Barents Sea and Baffin Bay
Écologie des foraminifères benthiques en domaine arctique dans un contexte de changements climatiques : cas des mers de Chukchi, Barents et Baffin
Résumé
Benthic foraminifera are widely used in oceanography as paleoclimate and paleoenvironmental bio-indicators due to their presence in all marine environments, their sensitivity to environmental changes and their great capacity to fossilize. However, the use of benthic foraminifera as paleoenvironmental proxies requires a good knowledge of the ecological conditions and the parameters controlling species distribution. Although knowledges about the ecology of benthic foraminifera are improving, they remain sporadic in Arctic area, a complex ecosystem characterized by multiple interactions between the atmosphere, the ocean and the cryosphere and particularly sensitive to change and vulnerable to global warming. Temperatures in the Arctic have risen twice as fast as the global average over the past decades, a phenomenon that has been dubbed the “polar amplification of global warming”. In this context, this thesis aims at better understanding the ecology of living benthic foraminifera in Arctic regions and at defining the importance of environmental controls on fauna such as water mass properties, primary productivity, organic matter flux as well as sea-ice dynamics. Living benthic foraminifera were identified in the first centimetres of 21 surface sediment cores collected in three Arctic areas during summer in 2014 and 2015: Baffin Bay and the Barents and Chukchi Seas. These three regions present specific characteristics in terms of sea-ice cover, water mass circulation or primary productivity. Our results suggest that these factors influence the distribution of benthic foraminifera. The flux of organic matter resulting from primary productivity intensified during spring and summer periods near hydrographic polar fronts, sea-ice edges (marginal ice zones) and in the north water polynya (Baffin Bay) increases the fauna’s densities and diversity and favours the development of specific species. Nonionellina labradorica in cold Arctic waters and Cassidulina neoteretis associated with Atlantic waters respond to fresh supply of organic matter while Melonis barleeanus is found in environment rich in degraded organic matter. In deeper oligotrophic environments, Oridorsalis tenerus is a ubiquitous species associated with Cibicidoides wuellerstorfi on the west continental margin of Barents Sea and Ioanella tumidula in the deeper basin in the north of the Chukchi Sea. Physical and chemical water mass properties also affect the distribution of living benthic foraminifera. In the Baffin Bay and the continental shelf of the Chukchi Sea, corrosive waters lead to carbonate dissolution, favouring the dominance of agglutinated species. This thesis hence contributes to calibrate the benthic foraminifera to their environment and to improve their application as paleoclimate and paleoenvironmental proxies in the Arctic. Finally, a preliminary study about fossil benthic foraminifera in three cores of Barents Sea allowed to show variations of environmental conditions during the last two centuries.
Les foraminifères benthiques sont largement utilisés en océanographie comme bio-indicateurs paléoclimatiques et paléoenvironnementaux du fait de leur présence dans tous les milieux marins, leur sensibilité aux changements environnementaux et leur grande capacité de fossilisation. Néanmoins, leur utilisation nécessite une connaissance approfondie de leur écologie et des paramètres contrôlant leur distribution. Si les connaissances sur l’écologie des foraminifères benthiques sont de plus en plus complètes, elles demeurent très sporadiques dans la zone arctique, système complexe caractérisé par des interactions multiples entre l'atmosphère, l'océan et la cryosphère, pourtant au coeur du changement climatique global. L'amplification polaire du changement climatique conduit les régions des hautes latitudes à se réchauffer près de deux fois plus vite que les régions tempérées. Dans ce contexte, cette thèse s'attache à mieux comprendre l'écologie des foraminifères benthiques vivants dans plusieurs régions arctiques et définir l'importance du contrôle des paramètres environnementaux sur les faunes tels que les propriétés des masses d'eau, la productivité primaire et le flux de matière organique ainsi que la dynamique de la glace de mer. Les foraminifères benthiques vivants ont été analysés dans les premiers centimètres de sédiment de 21 carottes d’interfaces prélevées dans trois régions arctiques durant les étés 2014 et 2015 : la mer de Barents, la baie de Baffin et la mer de Chukchi. Ces trois régions présentent des particularités en termes de couvert de banquise, de circulation des masses d’eau ou de dynamique de la production primaire. Nos résultats montrent que ces facteurs influencent la distribution des foraminifères benthiques. Le flux de matière organique qui résulte de la forte productivité primaire printanière aux abords des fronts polaires hydrographiques, des bordures de glace de mer (zones marginales de glace) et dans la polynie des eaux du nord (baie de Baffin) impacte la densité et la diversité des faunes et favorise le développement de certaines espèces. Nonionellina labradorica dans les eaux arctiques froides et Cassidulina neoteretis associée aux eaux atlantiques répondent aux apports de matière organique fraîche tandis que Melonis barleeanus s’accommode des milieux riches en matière organique plus dégradée. Dans les environnements oligotrophes plus profonds, Oridorsalis tenerus est une espèce ubiquiste. Cette espèce est associée à Cibicidoides wuellerstorfi sur la marge ouest de la mer de Barents et Ioanella tumidula dans le bassin plus profond au nord de la mer de Chukchi. Les propriétés physiques et chimiques des masses d’eau contraignent également la distribution faunistique. En baie de Baffin et sur le plateau de la mer de Chukchi, les eaux corrosives engendrent la dissolution des carbonates, favorisant la dominance des espèces agglutinées. Les études menées dans le cadre de cette thèse permettent de calibrer l'outil foraminifère benthique dans l'actuel et d'affiner leur utilisation en tant que proxy paléoclimatique et paléoenvironnemental en Arctique. Enfin, une étude préliminaire sur les foraminifères benthiques fossiles de trois carottes de la mer de Barents a permis de montrer les variations des conditions paléoenvironnementales au cours des deux derniers siècles.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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