Les températures passées prises avec un grain de sel

Taking past temperatures with a grain of salt

• Auteur / Autrice : Niels Brall
• Direction : Véronique Gardien, Fredéric Caupin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géologie
• Date : Soutenance le 10/06/2022
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de géologie (Lyon)
• Jury : Président / Présidente : Emanuela Mattioli
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Véronique Gardien, Fredéric Caupin, Giovanni Aloisi, Marco Roveri, Kathryn Fitzsimmons
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Giovanni Aloisi, Marco Roveri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie Brillouin

Gypse

Évaporites

Mer Morte

Paléoclimatologie

Mots clés libres

Spectroscopie Brillouin

Évaporites

Gypse

Mer Morte

Vitesse du son

Reconstructions paléoclimatiques

Brillouin spectroscopy

Gypsum

Dead Sea

Sound velocity

Palaeoclimate reconstructions

Evaporites

Résumé

Les évaporites, comme le sel et le gypse, sont des minéraux courants, par exemple dans les océans, les sabkhas, les grottes, les régions désertiques et les lacs. Les séquences d'évaporites peuvent être des archives climatiques utiles : les conditions physiques et chimiques de la formation du minéral hôte peuvent être retrouvées à partir des gouttelettes d'eau (inclusions fluides ; IF) piégées dans le cristal pendant sa croissance. Récemment, une nouvelle méthode a été développée pour mesurer la vitesse du son dans les inclusions fluides et pour déterminer leurs températures de piégeage dans les cristaux de halite. Elle est basée sur la spectroscopie Brillouin (BS), qui mesure les petits décalages de fréquence dans la lumière diffusée inélastiquement. La BS peut-elle être utilisée pour générer des reconstitutions temporelles à haute résolution du climat pour les régions et les intervalles de temps où se produit un dépôt d'évaporite ? Pour répondre à cette question, le bassin de la mer Morte est un site d'étude unique, car les sections d'halite ont été déposées sous forme de couches annuelles (varves) pendant les périodes interglaciaires (stades isotopiques marins ; MIS 7 et MIS 5e). Les mesures de BS sur les FI de halite révèlent des différences de température maximales de 4 °C entre les intervalles inférieurs et supérieurs des couches individuelles pendant les deux intervalles interglaciaires. Les paléotempératures de la section d'halite la plus ancienne (environ 200 ka ; MIS 7) soulignent en outre un réchauffement décennal des eaux de fond du lac pendant les périodes estivales (+3 °C) et hivernales (+4 °C) le long de la section centrale. Ces résultats montrent également des fluctuations annuelles de la température du lac en hiver dans toutes les couches, alors que les températures estivales du lac sont restées constantes pendant six ans, suivies de variations annuelles jusqu'à la fin du dépôt d'halite. Un lien possible entre l'épaisseur des varves et les températures estivales de l'eau est également discuté. Ces résultats ont des implications majeures pour les études futures sur les séquences halitiques en couches à des échelles géographiques et temporelles plus grandes. La question reste de savoir dans quelle mesure la BS peut être appliquée à d'autres minéraux, comme le gypse, un minéral sulfaté évaporitique. Des expériences ont été menées en utilisant l'analyse BS sur des solutions capillaires avec différentes concentrations de NaCl ainsi que sur du gypse synthétique. Cette méthode a également été appliquée à des échantillons de gypse naturel provenant d'environnements (hautement) salins (par exemple, la sabkha tunisienne, la mer d'Aral) et d'affleurements remontant à la crise de salinité messinienne dans le domaine méditerranéen. Les températures de piégeage du gypse reproduisent à peine les valeurs attendues pour des échantillons synthétiques de températures d'eau connues. Les expériences réalisées avec des échantillons de gypse naturel, en revanche, fournissent une plus grande quantité de données de T des IF, ce qui suggère que les échantillons de gypse naturel pourraient servir aux études de température utilisant la BS. Des travaux supplémentaires sont nécessaires pour confirmer cela. Le développement de la méthodologie sur le gypse est également motivé par la sensibilité de la vitesse du son à la salinité, comme cela a été observé dans les expériences de solution capillaire et dans les IF biphasiques dans le gypse naturel. Ainsi, la vitesse du son peut être utilisée comme un indicateur de salinité à haut débit dans les évaporites, faisant de la spectroscopie Brillouin un outil prometteur pour les futures reconstructions de paléosalinité.

Evaporites such as salt and gypsum are common minerals in, for example, oceans, sabkhas, caves, desertic regions and lakes. Evaporite sequences can be useful climate archives: physical and chemical conditions of formation of the host mineral can be retrieved from water droplets (fluid inclusions; FIs) trapped in the crystal during its growth. Recently, a novel method has been developed to measure sound velocity in FIs and to determine their entrapment temperatures in host halite crystals. It is based on Brillouin Spectroscopy (BS), which measures small frequency shifts in inelastically scattered light. Can BS be used to generate high-resolution temporal reconstructions of climate for regions and time intervals with evaporite deposition? To address this question, the Dead Sea basin is a unique study site, because halite sections were deposited as annual layers (varves) during interglacial periods (Marine Isotope Stages; MIS 7 and MIS 5e). BS measurements on halite FIs reveal maximum temperature differences of 4 °C between bottom and uppermost intervals of individual layers during both interglacial intervals. Palaeotemperatures from the oldest halite section (ca 200 ka; MIS 7) further highlight a decadal warming of the lake bottom waters during summer (+3 °C) and winter (+4 °C) periods along the core section. These results also show annual winter lake temperature fluctuations throughout all layers, whereas summer lake temperatures remained constant for six years, followed by annual variations until the end of halite deposition. A possible connection between varve thicknesses and summer water temperatures is also discussed. These results have major implications for future studies on layered halite sequences at larger geographical and temporal scales. The question remains to which extent BS can be applied to other minerals, such as the evaporitic sulphate mineral gypsum. Experiments were carried out using BS analysis on capillary solutions with various NaCl concentrations as well as on synthetic gypsum. This method was also applied to natural gypsum samples from (high) saline environments (e.g., Tunisian sabkha, Aral Sea) and from outcrop dating back to the Messinian Salinity Crisis in the Mediterranean realm. Gypsum entrapment temperatures scarcely reproduce the expected values for synthetical samples of known water temperatures. Experiments carried out with natural gypsum samples, on the other hand, provide a larger quantity of T data from FIs, suggesting that natural gypsum samples might serve for temperature studies using BS. Further work is needed to confirm this. Developing the methodology on gypsum is further motivated by the sensitivity of sound velocity on salinity, as observed in capillary solution experiments and in biphasic FIs in natural gypsum. Thus, sound velocity can be used as a high throughput salinity proxy in evaporites making Brillouin spectroscopy a promising tool for future palaeosalinity reconstructions.