Suivi des changements climatiques et environnementaux passés dans l'Eurasie continentale

Tracking past climate and environmental change across continental Eurasia

• Auteur / Autrice : Christian Laag
• Direction : France Lagroix, Yohan Guyodo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 31/03/2023
• Etablissement(s) : Université 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 : Laboratoire : UMR-Institut de physique du globe de Paris (2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Magali Ader
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Magali Ader, Joshua M. Feinberg, Christine Hatté, Simo Spassov
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Joshua M. Feinberg, Christine Hatté

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eurasie

Paléoenvironnement

Changements climatiques

Quaternaire (ère géologique)

Paléopédologie

Loess

Mots clés libres

Séquence de lœss-paléosol

Quaternaire

Magnétisme environnemental

Colorimétrie

Spectroscopie infrarouge

Granulométrie

Téphra

Événement climatique du Mid-Brunhes

Transition climatique du Pléistocène moyen

Variabilité climatique à l'échelle millénaire

Loess-paleosol sequence

Quaternary

Environmental Magnetism

Colorimetry

Infrared spectroscopy

Granulometry

Tephra

Mid-Brunhes Climate Event

Mid-Pleistocene Climate Transition

Millennial scale climate change

Résumé

La succession cyclique de périodes glaciaires et interglaciaires (cycles de Milanković) entraîne des variations dans l'émission, le transport et le dépôt de poussières minérales, favorisant la formation de loess et de sols intercalés. Le loess recouvre 10% des surfaces continentales mondiales et 20% de l'Europe. La thèse présentée ici vise à améliorer nos connaissances des changements paléoclimatiques sur les échelles orbitales à millénaires archivées dans les séquences de loess et de paléosols de l'Europe de l'Est, sur l'essentiel du dernier million d'années. Une approche multidisciplinaire est suivie, utilisant le magnétisme environnemental, la colorimétrie, la spectroscopie infrarouge, la granulométrie et la téphrostratigraphie. Une nouvelle séquence de loess et de paléosols (LPS), située dans le bassin du Bas-Danube au sein de la carrière de Suhia Kladenetz près de Pleven en Bulgarie (43°27'24.0"N, 24°41'26.7"E), a été étudiée. La séquence sédimentaire a été décrite, échantillonnée et analysée le long de deux profils (SK18 et PL21) lors de deux campagnes de terrain (2018 et 2021). La séquence de 27 m est composée de sept unités de loess, de six complexes de paléosols et d'une couche de 20 cm de cendres volcaniques (téphra). Le sédiment a été échantillonné (en vrac) en continu avec une résolution stratigraphique de 2 cm, donnant 1336 profondeurs d'échantillonnage. Les principales contributions de cette thèse sont résumées comme suit : Élaboration d'un premier modèle d'âge corrélatif pour la LPS de Pleven, à partir de la corrélation de plusieurs indicateurs magnétiques avec l'enregistrement du flux de poussières en Antarctique et la compilation δ18O LR04. Le modèle d'âge est affiné avec d'autres indicateurs de pédogenèse dérivés du magnétisme et de la colorimétrie, corrélés aux δ18O de NGRIP et de LR04 pour différents intervalles d'âge. Le modèle d'âge indique que la poussière s'est accumulée de manière continue à Pleven depuis 850 ou 950 ka. Développement d'indicateurs de paléoprécipitation dérivés de la teneur en goethite et maghémite. Démonstration de leur validité en les comparant à des modèles et à des enregistrements de δ13C dépendants de la précipitation. Quantification des valeurs de précipitation annuelle moyenne (MAP) sur les derniers ~800 ky et comparaison avec des modèles de MAP. Amélioration de la méthode d'analyse des spectres de couleur pour obtenir des teneurs semi-quantitatives en goethite et hématite et écriture d'un code optimisant le contraste des couleurs. En combinant les teneurs en goethite et hématite issues de la colorimétrie et du magnétisme, des variations climatiques millénaires sont détectées dans le loess des deux dernières glaciations (MIS 4-2, MIS 6) et pour la première fois dans le loess du MIS12. Mise en évidence d'une signature multi-paramètres des tephras et identification de plusieurs cryptotephras à Pleven. Les âges assignés par le modèle d'âge à ces tephras et cryptotephras permettent de trouver leurs homologues dans d'autres enregistrements téphrochronologiques régionaux datés radiométriquement, fournissant à la fois une validation indépendante du modèle d'âge corrélatif et de nouveaux marqueurs stratigraphiques régionaux. Observation de la fin de la transition du Pléistocène moyen (1200-700 ka) et de l'événement climatique Mid-Brunhes (~430 ka) caractérisés par les teneurs en smectite et en kaolinite dérivées de la spectroscopie infrarouge, et en hématite dérivées de la colorimétrie et de divers paramètres magnétiques. En résumé, la nouvelle LPS de Pleven, étudiée à l'aide d'un ensemble diversifié d'approches, est un enregistrement complet des changements climatiques du dernier million d'années et fournit une référence pour des corrélations stratigraphiques. De plus, l'indicateur de paléoprécipitation basé sur la goethite identifie des variations à l'échelle millénaire du dépôt de loess durant les deux dernières périodes glaciaires, ainsi que pour la période glaciaire

The cyclical nature of glacial and interglacial cycles caused by the Earth's orbital parameters (Milanković cycles) leads to changes in emission, transport and deposition of mineral dust as well as in the formation of loess and intercalated soils. Loess covers 10 % of the Earth's continental surfaces and 20% of Europe's. In Eastern Europe, loess deposits span up to 1 million years and are valuable paleoclimate archives. This thesis aims to contribute knowledge of past climate change on orbital to millennial timescales archived in loess and paleosol sequences. The aims of this thesis are reached by implementing multiple approaches (environmental magnetism, colorimetry, mid-infrared spectrometry, granulometry and tephrostratigraphy) leading to interpretations derived from the integration of the multi-disciplinary data sets. A new loess and paleosol sequence (LPS), located in the Lower Danube basin and exposed in the Suhia Kladenetz quarry near the city of Pleven in northern Bulgaria (43°27'24.0"N, 24°41'26.7"E), was studied. The sedimentary sequence was described, sampled, and analyzed over two field seasons (2018 & 2021) along two profiles (SK18 & PL21). The Pleven LPS is ~27 m thick and composed of seven loess units, six buried soil complexes (paleosol) below the present day topsoil, and one 20-cm thick volcanic ash (tephra) layer. Bulk material was sampled continuously at a 2-cm depth resolution resulting in 1336 sampling depths. The main contributions of this thesis are summarized as follows: Building an initial correlative age model for the Pleven LPS based on the correlation of magnetism-based proxies of pedogenesis and detrital dust with the δ18O LR04 and the Antarctic ice core dust flux records. Refining the age model with magnetism- and colorimetry-derived proxies of pedogenesis correlation to Greenland δ18O NGRIP record and δ18O LR04 stack for different age intervals. The age model indicates dust accumulated continuously at Pleven starting between 850 and 950 ky ago. Developing goethite and maghemite content derived paleoprecipitation proxies. Demonstrating their validity by comparing to precipitation dependent δ13C records and model data. Quantifying mean annual precipitation (MAP) values for the last ~800 ky and comparing to modeled MAP data. Improving the methodology of color spectra analysis for semi-quantitative goethite and hematite contents and a coded routine to enhance color contrast. Combining colorimetry derived goethite and hematite contents and mineral magnetic data, millennial timescale climate variations are detected in the last glacial (MIS 4-2) loess, in the penultimate glacial (MIS 6) loess, and for the first time in MIS12 glacial loess. Characterizing a multi-parameter signature of tephra material and identifying the occurrence of several cryptotephra layers throughout the Pleven LPS. Age model assigned ages of the outcropping tephra and identified cryptotephra find counterparts in other regional tephrochronological records radiometrically dated, providing independent validation of the correlative age model and valuable stratigraphic markers for regional correlations. Observing the demise of the mid-Pleistocene transition (1200 - 700 ka) and the mid-Brunhes climate event (~430 ka) characterized in variations of smectite and kaolinite contents derived from mid-infrared spectroscopy, hematite content derived from colorimetry and various magnetic parameters. In summary, the new high-resolution Pleven LPS, investigated using a diverse set of approaches, is a comprehensive record of climate change over the most part of the last million year and provides a benchmark for stratigraphic correlations. Furthermore, the developed goethite-based paleoprecipitation proxy identifies millennial timescale variations during periods of increased loess accumulations for the last glacial, the penultimate glacial and MIS 12 glacial periods.