CYCLA – Cycles, atmosphère, climats

Membres impliqués : Christophe Cloquet, Guillaume Paris

L’objectif dans ce thème est de documenter l’impact des activités humaines sur la zone critique. En effet, les activités anthropiques perturbent le cycle biogéochimique des éléments. Pour cela, nous allons poursuivre la recherche menée sur le traçage de source dans l’environnement visant à développer et optimiser des outils capables de discriminer les différentes origines naturelles et anthropiques mais aussi les différentes sources anthropiques entre elles dans contextes environnementaux variées (métaux, soufre, notamment). Afin de mieux contraindre le traçage, il est indispensable de bien connaître les mécanismes affectant les éléments et notamment ceux pouvant avoir un impact sur leur composition isotopique, celle-ci étant largement utilisée dans le cadre de nos recherches.

Nous nous attachons particulièrement à l’étude des métaux, principalement des métaux lourds qui ont un effet néfaste important sur l’homme et son environnement. Des études sur les sédiments et leur dispersion dans le système de l’Orne, un affluent de la Moselle particulièrement impacté par l’activité anthropique et industrielle, ont débutés et seront poursuivis les prochaines années en partenariat avec l’Agence de l’Eau Rhin-Meuse et dans le cadre de la Zone Atelier Moselle.

Les métaux lourds ne sont pas notre unique intérêt, nous poursuivons les études menées avec les isotopes du Nickel afin de mieux comprendre son cycle biogéochimique et les processus l’affectant, particulièrement dans les milieux ultramafiques et plus spécifiquement en nouvelle Calédonie qui est l’un des principaux fournisseurs de Ni au monde. L’utilisation des isotopes des métaux et du soufre dans les organismes vivant afin d’évaluer et de comprendre l’origine et l’impact sur le compartiment biologique a été débutée et sera poursuivie en collaboration avec le LIEC.

Nous envisageons le développement de nouveaux systèmes isotopiques pouvant apporter des réponses complémentaires aux processus affectant le cycle des métaux et pouvant altérer leur composition isotopique, par exemple pour des éléments tel que l’étain pouvant être analogue au mercure (anomalie dans l’abondance isotopique et formation de groupement methyl sont attendues).

Enfin, un volet d’étude porte sur le cycle du soufre atmosphérique avec à la fois l’analyses d’aérosols en milieu urbains et naturels pour comprendre les conséquences du réchauffement climatique sur la circulation atmosphérique au-dessus de Delhi et l’analyse d’échantillons de carotte de glace en collaboration avec l’ISTerre de Grenoble.

Membres impliqués : Pierre-Henri Blard, Albert Galy, Christian France-Lanord, Guillaume Paris, Laurie Reisberg,

A l’échelle du Néogène, les processus géodynamiques exercent un contrôle de la teneur en CO2 de l’atmosphère et de la température à la surface de la Terre. Cependant, il demeure des controverses sur les importances relatives du volcanisme, source deCO₂ et de l’orogenèse, puit de CO₂ atmosphérique via l’altération et l’enfouissement de carbone organique. A l’inverse, l’oxydation de la pyrite lors de l’altération génère de l’acide sulfurique qui contribue comme source d’acidité à limiter la consommation de CO₂. Le cycle du soufre est donc un acteur dans la régulation du CO₂ atmosphérique sur le long terme. Enfin, un autre élément important contribue à l’évolution du climat : l’évolution et la stabilité de la cryosphère, un volet particulièrement important dans la compréhension des rétroactions mises en jeu par le réchauffement climatique anthropique.

Altération et cycles des éléments

Le bassin Himalayen peut être le facteur déterminant qui a conduit à la baisse durable des concentrations de CO2 atmosphérique, car l’intensité des processus d’érosion associés y est suffisamment importante pour infléchir l’équilibre global du carbone. Notre équipe a largement contribué à évaluer les flux actuels sortant et entrant de carbone atmosphérique sur le système himalayen. Les forages IODP 354 sur le cône du Bengale réalisés en 2015 (France-Lanord et al, 2015) ont permis pour la première fois d’évaluer les flux d’enfouissement de carbone organique et d’altération de silicates sur l’ensemble du Néogène et donc de quantifier l’effet himalayen sur le bilan global à long terme (thèse en cours d’Aswin Tachambalath). Cette approche sera également appliquée à des échelles de temps plus courtes, en particulier dans l’optique de déterminer si les variations climatiques quaternaires et les cycles glaciaire-interglaciaire modulent l’impact de l’érosion et l’altération himalayenne sur le cycle du carbone (ANR GI-NOAH). Enfin, et à l’échelle du Néogène comme à celle du Quaternaire, l’analyse de processus d’érosion-altération-export de matière organique en fonction de l’intensité de la mousson apportera des informations clefs sur la réponse des systèmes d’érosion aux variations environnementales. Au-delà de l’exploitation des archives sédimentaires du cône du Bengale, nous poursuivons des recherches ciblées en Himalaya pour évaluer certains processus d’altération. Cela touche plus particulièrement l’évaluation des processus d’altération via l’oxydation des sulfures, l’altération des carbonates et la quantification de l’altération sur les bassins sur lesquels nous avons acquis des chroniques temporelles au Népal central.  

Une comparaison de l’importance des processus d’érosion entre un régime clair de mousson (flanc sud de l’Himalaya et le cône du Bengale) et un régime climatique plus aride (flanc nord et nord-est du plateau du Tibet) sera réalisée par une comparaison des résultats des forages IODP 354 et des enregistrements sédimentaires des bassins de Linxia, Xining et Qaidam en collaboration avec l’Institute of Tibetan Plateau Research de l’académie des Sciences chinoise. Le rôle du soufre dans l’altération est également important, tant au niveau de l’Himalaya que des autres chaines de montagne. Des projets sont en cours en collaboration et vont se poursuivre avec l’ETH et le GFZ Potsdam pour mesurer les isotopes du soufre dans les rivières de l’Himalaya ou des Alpes pour comprendre la part de l’oxydation de la pyrite dans la constitution de la charge dissoute des rivières et ainsi mieux estimer la consommation de CO₂ mise en jeu lors de l’altération des silicates et des carbonates. De même, l’analyse des isotopes multiples du soufre sur un grand nombre d’échantillons de rivières aidera à mieux contraindre le cycle du soufre à grande échelle.

Stabilité des calottes glaciaires

Une grande question, tant sur le plan scientifique fondamental que pour l’avenir de nos sociétés, est de mieux comprendre la stabilité des calottes glaciaires dans des conditions climatiques plus chaudes que celles de la période préindustrielle. Les modèles numériques permettent de proposer des scénarios, mais ceux ci comportent de grandes incertitudes, que ce soit pour la vitesse ou l’amplitude de la fonte de la calotte du Groenland et de l’Antarctique à l’horizon 2100 (GIEC, AR6). Un moyen de progresser sur cette question est d’utiliser les carottes de glace pour reconstruire le volume de glace du Groenland et de l’Antarctique lors des épisodes interglaciaires passés, en particulier au cours des périodes qui étaient de l’ordre de 1.5°C (Eemien, 125 ka) à 3°C (Pliocène) plus chaudes que la période préindustrielles. Via son expertise sur les nucléaires cosmogoniques, qui permettent de dater l’absence et la présence de glace sur un substratum rocheux, le CRPG participe à plusieurs projets internationaux visant à exploiter la base des carottes glaciaires pour reconstruire le volume du Groenland au cours du temps: Projet NSF financé sur la matériel sous glaciaire de Camp Century (PI. P. Bierman) ; Projet H2020 Beyond Epica Oldest Ice (PI C. Brabante, PH Blard co chair du consortium « glace basale et géologie »; Projet ERC Synergy soumis (coPIs PH Blard, D. Dahl-Jensen and F. Fripiat); Projet ANR TOBE (co PI F. Parrenin, PH Blard, M. Baroni). CYCLA s’inscrit ainsi dans deux projets d’envergure à l’échelle européenne et mondiale : les projets Byrd et BEYOND EPICA OLDEST ICE.

Eruption du Toba

Enfin, un dernier projet porte sur l’étude des conséquences du volcanisme du Toba (dépôt d’un projet ANR). La super-éruption du Young Toba Tuff (YTT, Sumatra,-74 ka) a sans doute accéléré l’entrée dans la dernière glaciation. La quantité et la dynamique des émissions de soufre demeurent une question critique, essentielle pour établir les conséquences climatiques d’une éruption par le biais du rôle de refroidissement des aérosols sulfatés. Le CRPG contribue en contraignant les conséquences des émissions de soufre du Toba en analysant le δ³⁴S d’échantillons monospécifiques de foraminifères planctoniques, et également en contribuant à l’analyse d’échantillons de carotte de glace pour comprendre l’éventuel devenir stratosphérique des émissions du Toba, ce qui peut se retrouver en analysant les signatures dites « indépendantes de le masse » des isotopes du soufre.

Membres impliqués : Pierre-Henri Blard, David Bekaert, Charlotte Prud’homme

Stabilité des calottes glaciaires

Une grande question, tant sur le plan scientifique fondamental que pour l’avenir de nos sociétés, est de mieux comprendre la stabilité des calottes glaciaires dans des conditions climatiques plus chaudes que celles de la période préindustrielle. Les modèles numériques permettent de proposer des scénarios, mais ceux ci comportent de grandes incertitudes, que ce soit pour la vitesse ou l’amplitude de la fonte de la calotte du Groenland et de l’Antarctique à l’horizon 2100 (GIEC, AR6). Un moyen de progresser sur cette question est d’utiliser les carottes de glace pour reconstruire le volume de glace du Groenland et de l’Antarctique lors des épisodes interglaciaires passés, en particulier au cours des périodes qui étaient de l’ordre de 1.5°C (Eemien, 125 ka) à 3°C (Pliocène) plus chaudes que la période préindustrielles. Via son expertise sur les nucléaires cosmogoniques, qui permettent de dater l’absence et la présence de glace sur un substratum rocheux, le CRPG participe à plusieurs projets internationaux visant à exploiter la base des carottes glaciaires pour reconstruire le volume du Groenland au cours du temps: Projet NSF financé sur la matériel sous glaciaire de Camp Century (PI. P. Bierman) ; Projet H2020 Beyond Epica Oldest Ice (PI C. Brabante, PH Blard co chair du consortium « glace basale et géologie »; Projet ERC Synergy soumis (coPIs PH Blard, D. Dahl-Jensen and F. Fripiat); Projet ANR TOBE (co PI F. Parrenin, PH Blard, M. Baroni). CYCLA s’inscrit ainsi dans deux projets d’envergure à l’échelle européenne et mondiale : les projets Byrd et BEYOND EPICA OLDEST ICE.

Membres impliqués : Pierre Bouilhol, Pierre-Henri Blard, Guillaume Paris

L’origine et l’évolution de l’atmosphère et de l’hydrosphère terrestre sont des questions fondamentales. Elles occupent à ce titre une place particulière au CRPG et l’analyse de roches anciennes, de l’Archéen au Phanérozoïque, permet de remonter à des signaux isotopiques qui nous renseignent sur les environnements très anciens, sur les sources et puits des volatils atmosphériques, et les processus les affectant. Ce volet regroupe des approches isotopiques et pétrographiques, avec des développements instrumentaux conséquents comme l’étude de l’³He extraterrestre.

Hyperthermaux

Un certain nombre de crises caractérisent le Phanérozoïque, notamment les hyperthermaux, objets d’étude importants pour comprendre les conséquences d’un réchauffement rapide de notre planète, ou encore les évènements d’anoxie océanique. CYCLA va se focaliser sur différents aspects. Tout d’abord, l’analyse de la dynamique et de l’origine des cycles marno-calcaires et des grandes crises bio-sédimentaires (PETM, OAE2, Toarcien) sera améliorée notamment via le développement d’un « sédimentomètre » haute résolution basé sur l’3He extra-terrestre (bourse de thèse demandée sur un de ces sujets). Ensuite, un volet portera sur l’étude du cycle du soufre au PETM. Le PETM est un épisode de réchauffement rapide pour lequel des variations rapides du δ³⁴S de l’océan ont été documentées à partir des barytines océaniques, ce qui a des répercussions importantes sur la reconstruction du niveau d’oxygénation de l’océan. Il est nécessaire de savoir si cette variation n’est présente que dans la zone minimum d’oxygène ou bien si elle se retrouve dans toute la colonne d’eau afin de bien cerner les enjeux paléoenvironnementaux liés à l’hyperthermal du PETM.

Géodynamique et cycles des éléments volatils en surface

Finalement, deux volets viennent compléter l’étude du cycle du carbone à l’échelle du Phanérozoïque. Tout d’abord, l’étude des Serpentinites de Ultra-Haute Pression a pour but d’améliorer la compréhension de l’importance des serpentinites dans le budget élémentaire des zones de subduction, notamment en ce qui concerne le Bilan carbone. Cette étude couplera étude de terrain (Alpes et Himalaya), pétrologie et géochimie. Enfin, si la surrection de l’Himalaya joue un rôle essentiel dans l’évolution « récente » du climat, les premières étapes de la formation de cette chaîne de montagne ont également contribué à faire évoluer le climat et la composition océanique au cours du Cénozoïque. Il s’agit ici de comprendre le recyclage du carbone et du soufre à l’échelle de la convergence Inde-Asie pour caractériser les processus de dévolatilisation du slab téthysien et de sa corrélation avec les perturbations du signal climatique cénozoïque. Cette étude couplera étude de terrain (Alpes et Himalaya), pétrologie et géochimie, combinés à des modèles numériques, dans le but de caractériser et quantifier le cycle du carbone pendant les stades de subduction intra-océanique et collisionnel et comprendre à quel point le cycle du soufre a pu être impacté. 

Histoire des impacteurs

Pour compléter le tout, l’3He extra-terrestre est un développement en cours qui vise à mettre en œuvre la recherche des impacteurs au cours des temps géologiques. Obtenir une série temporelle sur ces évènements permettra de mieux caractériser leur impact sur la biosphère et le climat.

L’analyse de l’azote paléo-atmosphérique dans des inclusions fluides piégées dans des quartz archéens a permis (i) de contraindre la paléo-pression de N2 à l’Archéen, qui s’est avérée de façon surprenante inférieure à l’actuelle, ouvrant la possibilité de mieux comprendre le cycle de cet élément dans les temps anciens, et (ii) de montrer que la composition isotopique de l’azote atmosphérique n’a pas varié depuis 3,5 Ga, impliquant l’existence d’un champ magnétique conséquent depuis cette période (Avice et al., 2018; Marty et al., 2013). Nous souhaitons explorer les variations de la pN2 atmosphérique au cours de périodes plus récentes.

A l’Archéen, des processus existent qui génèrent des signatures isotopiques du soufre particulières (Δ³³S non nuls), interprétées comme le reflet de réactions photolytiques se déroulant dans une atmosphère dépourvue d’oxygène, générant du soufre oxydée avec un Δ³³S négatif et du soufre réduit avec un Δ³³S positif. Cependant, seul le soufre réduit a été analysé pour la plus grande part de l’Archéen. Les rares sulfates analysés, tous plus vieux que 3,2 Ga, proviennent de minéraux dont l’origine est complexe. Suite à la première étude des sulfates en trace présent dans les carbonates Archéens, démontrant qu’à l’Archéen supérieur, les sulfates se caractérisaient par des Δ³³S positifs, nous avons décrypté les mécanismes de préservation des signatures isotopiques dans la plateforme de Campbellrand (Paris et al., 2020) tandis que l’étude de rivières modernes traversant le craton archéen Canadien suggère que la croûte avait une absence d’anomalie isotopique (Δ³³S=0 ‰, Torres et al., 2018). Ces travaux confortent l’hypothèse selon laquelle la disparition de multiples anomalies isotopiques du soufre dans les sédiments fournit un indicateur fiable du moment de la première augmentation de l’oxygène atmosphérique.

Enfin, L’analyse d’échantillons irradiés par activation neutronique de quartz archéens nous a permis de déterminer la salinité des océans il y a 3,3 Ga grâce à l’analyse couplée des halogènes et des gaz nobles. La teneur en Cl était similaire à l’actuelle mais celle en K était ~40 % inférieure, du fait d’une masse continentale moindre (Marty et al., 2018).

La Terre du Précambrien au Cénozoïque

Le cycle du soufre a été étudié à différentes époques du Phanérozoïque. Comprendre les changements et les mécanismes de contrôle de la variabilité du δ³⁴S de l’eau de mer au cours des temps géologiques est un objectif important, notamment à cause du couplage entre le cycle du carbone et le cycle du soufre. Le début du Cénozoïque demeure énigmatique de ce point de vue dans la mesure où le δ³⁴S de l’eau de mer semble découplé du δ¹³C de celle-ci. Nous avons produit un nouvel enregistrement du δ³⁴S basé sur l’utilisation des CAS (Carbonate associated sulfate) présents dans la calcite de foraminifères planctoniques en travaillant sur des tests d’échantillons mono-spécifiques (Rennie et al. 2018). Les cycles du carbone et du soufre tels qu’enregistrés par leurs isotopes, ne sont pas totalement découplés durant la première moitié du Cénozoïque. Nous suggérons une modification du lieu d’enfouissement de la pyrite depuis des environnements épicontinentaux peu profonds vers l’océan ouvert aux environs de -53 millions d’années. Ce changement correspond aux réorganisations tectoniques concomitantes au démarrage de la collision Inde-Asie. Des recherches sont en cours sur la limite Crétacé-Paléogène dans le cadre de la thèse d’Arbia Jouini au CRPG.

Les strates de l’époque paléozoïque tardive du récif du Capitan, dans l’ouest du Texas, montrent une hétérogénéité en δ³⁴S dépendant des faciès sédimentaires. Cependant, les processus diagénétiques peuvent influer sur la composition isotopique du soufre du sulfate associé au carbonate (Present et al., 2019). Ces processus modifient la composition isotopique du soufre du sulfate incorporé provenant d’eau de mer sous forme de dépôt dans les paramètres de dépôt de la crête, du plateau extérieur, de la marge du plateau et de la pente.

Afin de mieux comprendre les effets isotopiques associés à l’incorporation de sulfate dans des minéraux carbonatés, nous avons précipité de la calcite et de l’aragonite inorganiques sur une plage couvrant plus de deux ordres de grandeur de la concentration en sulfate de sodium et de la vitesse de précipitation. Le fractionnement isotopique du soufre entre le CAS dans la calcite et le sulfate aqueux varie entre 1,2 et 3,6 ‰ dans les conditions expérimentales. Le fractionnement de l’aragonite est de 1,0 ± 0,3 ‰ et apparaît indépendant de la concentration en sulfate (Barkan et al., 2020). De nouvelles données isotopiques S et Ca ont également été acquises sur un nouveau jeu d’expériences (article en préparation).