Les changements majeurs de la productivité biologique au cours du Quaternaire et leurs impacts sur les cycles du carbone et de l’oxygène

Major changes in Biological Productivity during the Quaternary and their impacts on the carbon and oxygen cycles

• Auteur / Autrice : Margaux Brandon
• Direction : Stéphanie Duchamp-Alphonse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Terre solide : géodynamique des enveloppes supérieures, paléobiosphère
• Date : Soutenance le 18/12/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• 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-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Valérie Daux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Samuel Jaccard, Laurent Bopp, Luc Beaufort, Emilie Capron
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Samuel Jaccard, Laurent Bopp

Mots clés

Mots clés contrôlés

Isotopes

Oxygène

Quaternaire (ère géologique)

Géochimie

Micropaléontologie

Productivité biologique

Mots clés libres

Productivité biologique

Composition isotopique triple de l'oxygène de l'air - Δ¹⁷O de O₂

Micropaléontologie

Géochimie

Quaternaire

Terminaison V

Biological productivity

Triple isotope composition of atmospheric oxygen - Δ¹⁷O of O₂

Micropaleontology

Geochemistry

Quaternary

Termination V

Résumé

A l’échelle des cycles glaciaires-interglaciaires (G/IG) du Quaternaire, la concentration atmosphérique en CO₂ (p CO₂) est associée à d’importantes variations, notamment pendant les transitions entre périodes glaciaires et interglaciaires, aussi appelées terminaisons, qui enregistrent des augmentations de pCO₂ de l’ordre de 100 ppm en quelques milliers d’années. Alors que les rôles de la circulation océanique et de l’étendue de la couverture de glace sur le pCO₂ sont étudiés depuis plusieurs années, peu de travaux s’intéressent à l’impact de la productivité biologique. L’objectif de cette thèse est de reconstruire les changements de productivité biologique et d’estimer leur contribution sur les variations de pCO₂ atmosphérique au cours des derniers 800 000 ans (ka), en portant une attention particulière à la Terminaison V (~425 ka) et au stade isotopique (MIS) 11, l’interglaciaire enregistré vers 400 ka. Pour cela, deux approches ont été combinées pour remonter aux variations globales et locales de la productivité biologique. Des mesures de Δ¹⁷O de O₂ effectuées dans les bulles d’air piégé dans la carotte de glace EPICA Dome C (Antarctique) entre 400 et 800 ka, ont permis de compléter les mesures préexistantes et remonter aux variations de la productivité biosphérique globale exprimée en flux d’oxygène au cours des derniers 800 ka. Des analyses micropaléontologiques (coccolithes, foraminifères) et géochimiques (COT, CaCO₃, XRF) ont été effectuées sur une carotte sédimentaire du secteur Indien de l’Océan Austral (MD04-2718) pour remonter aux variations d’efficacité de la pompe biologique au cours des derniers 800 ka. Les résultats obtenus durant cette thèse ont permis de montrer qu’à l’échelle des cycles G/IG, la productivité biosphérique globale et la productivité carbonatée dans l’Océan Austral sont plus importantes pendant les interglaciaires comparées aux glaciaires, ce qui minimise l’impact de la productivité organique marine sur la pCO₂ atmosphérique. La Terminaison V et MIS 11 enregistrent la plus forte productivité biosphérique des derniers 800 ka et la plus importante production carbonatée marine des 9 derniers interglaciaires dans l’Océan Austral. Alors que la forte productivité carbonatée est une source de CO₂ pour l’atmosphère, l’augmentation de la productivité de la biosphère permettrait de contrebalancer l’augmentation de pCO₂ via la photosynthèse.

During glacial-interglacial cycles of the Quaternary, the atmospheric CO₂ (pCO₂) concentration is associated with important variations, in particular during transitions between glacial and interglacial periods, also called terminations, with increases of up to 100 ppm of pCO₂ in a few thousand years. While the roles of oceanic circulation and sea-ice cover on pCO₂ are studied for several years now, little is known on the impact of biological productivity. The goal of this thesis is to reconstruct the past changes in biological productivity and to estimate their contributions on atmospheric pCO₂ variations over the last 800 000 years (ka), with particular attention to Termination V (~425 ka) and Marine Isotope Stage (MIS) 11, the interglacial period around 400 ka. Two different approaches were combined to reconstruct global and local variations of biological productivity. Measurements of Δ¹⁷O of O₂ in the air trapped in the Antarctic EPICA Dome C ice core between 400 and 800 ka allowed to complete the pre-existing record and trace back variations of global biosphere productivity expressed in oxygen fluxes over the past 800 ka. Micropaleontological (coccoliths, foraminifera) and geochemical (TOC, CaCO₃, XRF) analyses were performed on a sediment core of the Indian sector of the Southern Ocean (MD04-2718) to reconstruct the changes in biological pump efficiency over the past 800 ka. The results obtained during this thesis showed that, at the scale of glacial-interglacial cycles, global biospheric productivity and Southern Ocean carbonate production are more important during interglacial periods compared to glacial periods, minimizing the impact of marine organic productivity on atmospheric pCO₂. Termination V and MIS 11 register the strongest biosphere productivity of the past 800 ka and the highest marine carbonate production of the past 9 interglacial periods in the Southern Ocean. While the important carbonate production is a source of CO₂ for the atmosphere, the rise in biosphere productivity would counterbalance the increase in pCO₂ through photosynthesis.