Etude à haute résolution de la circulation océanique profonde dans l'Océan Austral pendant le dernier cycle climatique à l'aide de traceurs géochimiques et minéralogiques dans les sédiments marins : implications pour le cycle du CO2

High resolution study of the deep-water Southern Ocean circulation during the last climatic cycle using geochemical and mineralogical proxies in marine sediments : implication for the CO2 cycle

• Auteur / Autrice : François Beny
• Direction : Viviane Bout-Roumazeilles, Gareth Davies, Aloys Bory
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'univers
• Date : Soutenance le 07/10/2020
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021) en cotutelle avec Vrije universiteit (Amsterdam)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Océanologie et de Géosciences (LOG)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Granulométrie

Géochimie

Éléments traces

Minéraux argileux

Limite Pléistocène-Holocène

Dioxyde de carbone

Interaction mer-atmosphère

Sédiments (géologie) -- Transport

Austral, Océan

Circulation océanique

Mots clés libres

Isotopes radiogéniques

Évènements de Heinrich

Heinrich Events

Résumé

Cette thèse apporte de nouvelles perspectives sur la circulation profonde de l’Océan Austral et sur le cycle du CO2. Elle se base sur la signature géochimique et minéralogique de la fraction terrigène des sédiments récupérés dans le secteur Atlantique Sud (carotte MD07-3076Q) et Indien Sud (MD12-3396Q) de l’Océan Austral.Une étude préliminaire des propriétés géologiques des sources potentielles de sédiments pour l’Océan Austral, ainsi que l’étude des processus de transports impliqués de l’émission d’une particule à son dépôt sur les fonds marins a été cruciale à la réalisation d’une étude de provenance dans cette zone complexe. Ces informations préliminaires ont démontré la nécessité de travailler sur plusieurs fractions granulométriques dans l’Atlantique Sud pour pouvoir retracer efficacement les différentes masses d’eau. Une telle approche a permis : (1) l’identification de la provenance de différentes fractions granulométriques ; (2) l’assignation de chaque fraction granulométrique à une masse d’eau spécifique ; (3) la reconstruction de l’évolution passée des principales masses d’eau profondes ; (4) de reconstruire les changements paléoenvironnementaux en Amérique du Sud pendant l’Holocène.De manière générale, nos données supportent les conclusions dessinées à l’aide d’autres proxys avec un Océan Atlantique Sud dominé par les masses d’eaux de l’hémisphère sud (i.e. AntArctic Bottom Water, AABW, et Circumpolar Deep Water, CDW) pendant la dernière période glaciaire, et un Océan Atlantique Sud dominé par les masses d’eau de l’Atlantique Nord (North Atlantic Deep Water, NADW) à partir du Bølling Allerød (B/A).De plus, cette thèse a permis de faire la distinction entre les AABW et l’ACC (Courant Circumpolaire Antarctique, qui comprend la CDW) dans les deux secteurs étudiés de l’Océan Austral. Cela a rendu possible la quantification de la contribution relative à la sédimentation des principales masses d’eau dans chaque secteur (i.e. AABW, CDW, et NADW dans le secteur Atlantique Sud ; ACC et AABW dans le secteur Indien Sud). Grâce à cette distinction, il a été possible de fournir des évidences d’activités encore inconnues de l’AABW au court du temps, et d’étudier les interactions dynamiques entre les AABW et la CDW dans le secteur Atlantique Sud de l’Océan Austral. Cette étude démontre que les évènements d’Heinrich (HE) 1, 2, et 3 sont précédés par une modification de la circulation profonde de l’Océan Austral. En particulier, ces modifications sont associées à une augmentation significative de la contribution de l’AABW à la sédimentation. De ce fait, ce travail met en lumière l’idée qu’un changement de la circulation profonde dans l’Océan Austral peut jouer un rôle, ou même déclencher les HE. Nos données indiquent également que, même si aucun changement dans le CO2 atmosphérique n’est observé pendant l’HE 2, la turbulence était plus forte pendant l’HE 2 que pendant l’HE 1. Cela suggère que les échanges entre l’océan profond et l’atmosphère pourraient avoir été coupés en raison de la présence d’une barrière dynamique/physique résultant de conditions prévalant en raison de la faible obliquité pendant la dernière période glaciaire. A la toute fin de cette dernière période glaciaire, nos données indiquent un « pulse » de la vitesse et de l’extension vers le Nord de la AABW dans le secteur Atlantique de l’Océan Austral. Ce "pulse" est concomitant de la première augmentation de la ventilation enregistrée dans la même carotte de sédiment et se termine avec le début du stadial d’Heinrich (HS) 1, une période d’augmentation du CO2 atmosphérique. Ces observations suggèrent que cette rapide incursion de la AABW dans l’Océan Atlantique Sud serait responsable de la rupture de la barrière physique/dynamique séparant l’océan profond, riche en CO2, et la surface, permettant ainsi l’échange entre ces eaux riches en CO2 et l’atmosphère pendant l’HS 1, et donc l’augmentation du CO2 atmosphérique pendant la dernière déglaciation.

This PhD thesis provides new insights into both the deep Southern Ocean circulation and CO2 cycle based on geochemical, radiogenic isotopes and clay mineralogical signatures of the terrigenous fractions transported by the main deep-water masses using sediment cores recovered in the South Atlantic sector (core MD07-3076Q, central South Atlantic) and in the South Indian sector (core MD12-3396Q) of the Southern Ocean.A careful preliminary study of the geological properties of the potential sediments sources to the Southern Ocean and of the source-to-sink transportation patterns of detrital particles was crucial to develop a well constrained provenance study in this rather complex area. These preliminary data demonstrated that it was absolutely necessary to work on distinct grain-size fractions in the South Atlantic Ocean in order to efficiently track different water masses. Such an approach successfully permits: (1) provenance identification of the various grain-size fractions (clay, cohesive silt and sortable silt); (2) an assignment of each grain-size fraction to a specific water-mass; (3) the reconstruction of the main deep water-mass pathways past changes, (4) to reconstruct paleoenvironmental changes over South America during the Holocene.Overall, our data support the conclusions drawn using other proxies: Strong southern deep-water masses (i.e. AntArctic Bottom Water, AABW, and Circumpolar Deep Water, CDW) and weak southern North Atlantic deep-water (NADW) prevailed during the last glacial period. The transition from this glacial state to the modern period likely happened during the Bølling Allerød (B/A) with: (1) a southward migration and a deepening of the NADW into the South Atlantic sector of the Southern Ocean, (2) a retreat to the South and a slowdown of the southern deep-water masses.In addition, this study successfully permits the distinction between the AABW and the ACC (that includes CDW) in both sectors of the Southern Ocean. This enabled the quantification of the relative contribution to sedimentation of all the main deep-water masses in each sector (i.e. AABW, CDW and NADW in the South Atlantic sector; ACC and AABW in the South Indian sector). Thanks to this distinction, it was possible to provide evidences of previously unknown AABW activities through time, and to study the dynamical interactions between the AABW and the LCDW in the South Atlantic sector of the Southern Ocean. We show that Heinrich Events (HE) 1, 2 and 3 are preceded by a modification of the Southern Ocean overturning circulation, and especially associated to a significant increase in AABW contribution to sediment deposition. Consequently, this work highlights that a change in the Southern Ocean overturning circulation can play a major role or even trigger the Heinrich Events. Our data also indicates that the turbulent mixing was stronger during HE 2 than during HE 1, even though HE 2 is muted in atmospheric CO2 records. This suggests that the exchanges between the deep ocean and the atmosphere might have been disabled due to dynamical/physical barrier resulting from background conditions involved by low obliquity during the last glacial period. At the very end of this glacial period, our data indicate a substantial “pulse” of AABW speed and northern extent in the South Atlantic sector of the Southern Ocean. This "pulse" is concomitant with the first increase of the ventilation recorded in the same sediment core and ends with the beginning of the HS 1, a period of rising atmospheric CO2. These observations suggest that this rapid incursion of AABW into the South Atlantic Ocean may be responsible of the breakdown of the physical/dynamical barrier between the deep CO2-rich ocean and the surface, enabling the exchange between these CO2-rich waters and the atmosphere during the HS 1, and thus, the rise of atmospheric CO2 during the last deglaciation.