Exploration des signaux climatiques holocènes enregistrés dans des stalagmites de Bosnie - une approche multi-proxy couplant pétrographie et géochimie -

Exploring Holocene climate signals recorded in stalagmites from Bosnia - a multi proxy approach coupling petrography and geochemistry -

• Auteur / Autrice : Veronica Chiarini
• Direction : Fabien Arnaud
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences Terre, Univers et Environnement
• Date : Soutenance en 2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE) en cotutelle avec Alma Mater Studiorum - Università di Bologna
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences et ingénierie des systèmes, de l'environnement et des organisations (Chambéry ; 2007-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Environnements, Dynamiques et Territoires de la Montagne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Leonardo Piccini, Giovanni Zanchetta, Dominique Genty, Yves Perrette

Mots clés

Mots clés libres

Reconstruction paléoclimatique

Holocène

Spéléothèmes

Textures de la calcite

Microstratigraphie

Bosnie

Paleoclimatic reconstruction

Holocene

Speleothems

Calcite fabrics

Microstratigraphy

Bosnia

Résumé

La Méditerranée est une région densément peuplée, caractérisée par une circulation atmosphérique extrêmement complexe et particulièrement sensible aux modifications de dynamique des masses d'air. Ainsi, la compréhension des fluctuations climatiques passées dans cette région est d'une grande importance pour mieux comprendre les modalités de la variabilité climatique régionale en réponse aux changements hémisphériques et globaux. La zone méditerranéenne centrale a présenté des réponses climatiques contrastées à la réorganisation de la circulation atmosphérique suivant la dernière période glaciaire. En particulier, dans les régions du sud/nord des conditions plus sèches/humides, ont duré jusqu'à environ 4,5 ka, suivies d'une tendance vers une inversion de ces conditions. Cette tendance, qui se manifeste dans les archives marines et continentales de la péninsule italienne et de la mer Adriatique, est moins attestée dans les Balkans, où peu de reconstructions climatiques de l’Holocène sont disponibles. Afin de mieux comprendre la dynamique du climat dans la péninsule des Balkans pendant l’Holocène, cinq stalagmites ont été collectées dans deux grottes de Bosnie (Govještica et Mračna Pecina, Praca Valley). En effet, les spéléothèmes sont d’excellentes archives du climat et des environnements passés, grâce à leur dépôt dans des environnements stables et protégés de la plupart des processus d'altération qui existent à la surface. Un monitoring de la pluie et en grotte (Mračna Pecina) a été mis en place afin de comprendre la dynamique actuelle des égouttements en grotte et de mieux interpréter la façon dont les signaux environnementaux et/ou climatiques sont transmis aux spéléothèmes à travers le système karstique. Des échantillons d'eau d’infiltration et de précipitations ont été recueillis pour les analyses d'isotopes stables (δ18O et δD). Toutes les stalagmites ont été datées en utilisant le déséquilibre U-Th, mesuré par MC-ICPMS, et les modèles d'âge en fonction de la profondeur ont été calculés par un traitement Bayésien-Monte Carlo des âges avec contraintes stratigraphiques. Les analyses des isotopes stables (δ18O et δ13C) ont été réalisées le long de l'axe de croissance. En effet, ces valeurs peuvent fournir des informations sur la température, le régime des précipitations et la couverture végétale à condition que la calcite soit déposée dans des conditions proches de l'équilibre isotopique. Malheureusement, les profils des isotopes stables se sont avérés très bruités et pas interprétables directement. Ainsi, une approche multi-proxy a donc été adoptée en couplant les profils des isotopes stables avec des observations pétrographiques détaillées et les variations de concentration des éléments traces. Ceci a permis d'interpréter les variations des indicateurs géochimiques et de la pétrographie en termes de changements d'hydrologie. En particulier, une tendance vers des conditions plus sèches apparait depuis environ 4 ka, ce qui suggère une réponse locale au changement climatique similaire à celle des sites du sud de la Méditerranée. Une partie marginale de ce projet a été consacrée à l’examen d’un dépôt sombre datant de ~1,2 ka dans les échantillons de Mračna Pećina. Cette lamine, apparaissant fluorescente sous le microscope optique à fluorescence, n'a pas été identifiée au moyen des techniques FTIR et micro Raman. Cependant, les observations au MEB ont permis de définir qu’il s’agissait d’un dépôt de suie.

The Mediterranean area is a densely populated region characterised by an extremely complex atmospheric circulation, which is particularly sensitive to any modification of air mass dynamics. Thus, the understanding of past climate fluctuations in this area is of great importance to gain insight in the pattern of regional climate variability in response to hemispheric and global climate changes. The central Mediterranean area displayed contrasting climatic responses to atmospheric circulation re-organization following the last glacial period. In particular, drier/wetter conditions in the northern/southern regions respectively, lasted until about 4.5 ka, followed by a trend towards an inversion of these conditions. This trend, which is evident in marine and continental records from the Italian Peninsula and the Adriatic Sea, is less witnessed in the Balkans, where few Holocene climate reconstructions are available. In order to better understand Holocene climate dynamics in the Balkan Peninsula, five stalagmites were collected from two Bosnian caves (Govještica and Mračna Pećina; Prača Valley). Speleothems are indeed excellent archives of past climate and environment thanks to their deposition in stable environments, protected from most surface weathering processes. Rainfall and cave monitoring (in Mračna Pećina Cave) was set up in order to understand present day cave hydrology and better interpret how the environmental and/or climate signals are transmitted to the speleothem through the karst system. Both drip water and rainfall samples were collected for stable isotope analyses (δ18O and δD). All stalagmites were dated using the U-Th disequilibrium, measured by MC-ICPMS, and age-depth models were derived from a Bayesian-Monte Carlo treatment of the ages with stratigraphic constraints. δ18O and δ13C were analysed along the growth axis. Indeed, these values can provide information about temperature, precipitation regime and vegetation cover if calcite is deposited close to isotopic equilibrium conditions. Unfortunately, stable isotope profiles were noisy and not interpretable straightforwardly. Therefore, a multi proxy approach was adopted, coupling stable isotope and trace element profiles with detailed petrographic observations. This allowed for the interpretation of geochemical proxies and petrography variations in relation to hydrological changes. In particular, a trend towards relatively drier conditions appears since about 4 ka, suggesting a local response to climate change similar to the one of the southern Mediterranean sites. A marginal part of this project involved the examination of a dark lamina deposited around 1.2 ka in the 4 samples from Mračna Pećina cave. This layer, appearing fluorescent under the fluorescence optic microscope, was not identified using the FTIR and micro Raman techniques, but only with SEM observation, which demonstrated its soot nature.