Cycles, Atmosphere, Climate

Réponse de la biocalcification pélagique aux événements hyperthermiques du Paléocène et Eocène : apports de la biométrie et morphométrie de nannofossiles calcaires

Plus important réchauffement du Cénozoïque, le Maximum Thermique du Paléocène-Eocène
(PETM ; ; ~56 Ma), est considéré comme l’un des meilleurs analogues au réchauffement climatique actuel. Il est notamment caractérisé par une anomalie négative du δ¹³C de 3-4 ‰ enregistré dans les carbonates des fonds océaniques attribué à la libération rapide de gigatonnes de carbone de source débattue. Afin d’étudier l’impact de ce réchauffement climatique sur les organismes, les nannofossiles calcaires ont été étudié. Ces derniers sont définis comme les restes calcitiques de 2 à 30 µm de coccolithophoridés, algues unicellulaires flagellées ayant un squelette extracellulaire calcitique.

Composants majeurs des carbonates pélagiques, ils sont de précieux proxys paléoclimatiques et paléo océanographiques puisqu’ils enregistrent notamment les variations de température et concentration en sels nutritifs des eaux océaniques de surface via leur morphologie. Une étude de la biométrie/morphométrie de Discoaster multiradiatus group, taxon caractéristique du Paléogène, a été réalisée dans des échantillons du site ODP 1209 (Pacifique nord) couvrant la transition Paleocène-Eocène afin de déterminer l’impact des événements hyperthermiques, dont le PETM, sur ses variations de taille et de morphologie. Pour cela, le diamètre et le nombre de branches ont été mesurés au MEB puis traités via des analyses statistiques et probabiliste (analyse bayésienne). Des variations de taille et de morphologie lors d’événements hyperthermiques ainsi qu’une tendance générale à la diminution du nombre de branches du Paléocène vers l’Eocène ont pu être mises en avant. Cependant, les individus observés sont caractérisés par une préservation variable du fait de la diagenèse et présentent des figures de dissolution et de recristallisation, altérant le signal climatique primaire. Afin de quantifier la part de calcification observée sur les nannofossiles attribuable aux processus diagénétiques, une diagenèse expérimentale a été réalisée sur le modèle de l’étude d’Adelseck et al. (1973). Pour cela, les impacts de la pression et de la température ont été testés indépendamment sur des échantillons du Paléocène-Eocène (site ODP 1209) et un échantillon du Pliocène (Trubi, Sicile). Le diamètre des individus ainsi que le nombre, l’épaisseur et la largeur des branches des nannofossiles ont été mesurés au MEB. L’expérimentation indique une recristallisation, de type calcite non-automorphe, dépendant de la pression et de la température mais aussi de la morphologie des individus n’impactant ni le diamètre ni le nombre de branches. Ces paramètres peuvent ainsi être considérés pour des reconstitutions paléoenvironnementales, puisqu’ils ne sont pas altérés lors de la diagenèse.

Reconstruction des déplacements méridiens des vents d’ouest au-dessus de l’océan Atlantique austral au Quaternaire :
implications sur la pression atmosphérique de CO2

Dans l’océan Atlantique austral, la position méridienne et l’intensité des vents d’ouest (“South Westerlies”) contrôlent 1) la stratification verticale de l’océan et 2) les apports de fer, micronutriment limitant la productivité biologique au nord du front polaire. Le premier facteur influence la remontée de CO2 des eaux profondes et son relargage dans l’atmosphère. Le second régule la pompe des tissus mous qui soustrait du CO2 de l’atmosphère. Lors du Quaternaire, 40 à 50% des variations glaciaires/interglaciaires de la pression atmosphérique de CO2 (pCO2) pourraient être expliquées par un changement de position et d’intensité des South Westerlies. Cependant, la temporalité et l’amplitude des déplacements méridiens de ces vents restent largement débattues.

Reconstruire l’origine des poussières est l’un des rares moyen de suivre l’évolution les circulations atmosphériques dans le passé. Dans le cadre d’une collaboration internationale, nous avons étudié deux carottes sédimentaires de l’océan Atlantique austral : ODP1090 (42°55’S, 8°54’E, 3702m) et MD07-3076Q (44°9’S, 14°14’W, 3770m) afin de reconstruire les circulations atmosphériques à l’échelle glaciaire/interglaciaire et lors d’événements abrupts, comme le Maximum Isotopique Antarctique 8 (AIM 8). Nous utilisons les isotopes radiogéniques du Pb, Sr et Nd dans la fraction détritique fine du sédiment comme proxy de la provenance des poussières. A l’échelle glaciaire/interglaciaire, nous montrons que les compositions isotopiques varient avec le flux de poussières. Cette observation indique un changement de la contribution relative des sources de poussières qui se déposent en Atlantique austral. Nous montrons que, lors des périodes froides, la Patagonie contribue jusqu’à 75% du flux de poussière. Lors des périodes chaudes (LGM, MIS 5), ce flux est constitué entre 40 et 70% de matériel issu du haut plateau du Puna (Argentine). Ces variations permettent de confirmer le déplacement vers le nord des “South Westerlies” lors des périodes froides suggéré par des approches indirectes sur la fertilisation ou la stratification des océans. Durant l’événement abrupt de l’AIM8, une troisième source contribue aux apports de poussières : les hauts plateaux de l’ouest de l’Argentine, au sud de la région du Puna. Ces résultats indiquent que les “South Westerlies” migrent vers le sud par rapport à leur position glaciaire ou froide. Ce déplacement induit une diminution des apports de fer au nord du front polaire qui réduit l’activité de la pompe des tissus mous, ainsi qu’une diminution de la stratification verticale de l’océan austral, ce qui intensifie le rejet de CO2 stocké dans l’océan profond vers l’atmosphère. Ces phénomènes peuvent expliquer l’augmentation de la pCO2 de ca. 30 ppmv durant les Maximums Isotopiques Antarctiques.

Lithology and Tectonics: Building the inorganic carbon budget of a young  mountain range

Erica Erlanger, Aaron Bufe, Guillaume Paris, Ilenia D’Angeli, Luca Pisani, Preston Kemeny, Jessica Stammeier, Negar Haghipour, Niels Hovius

Résumé: Mountain building has classically been linked with CO₂ drawdown from chemical weathering of silicate minerals in the critical zone, although recent views on mountain building recognize the importance of rock-derived CO₂ emissions from the weathering of petrogenic organic carbon and inorganic carbonate. However, the focus on near-surface weathering reactions within the orogenic carbon factory does not consider the emission of metamorphic CO₂ from subduction processes in the deep crust and mantle. Such deep carbon sources could dwarf the surficial drawdown and release of carbon, in particular in actively extending mountain ranges that subduct large volumes of carbonate rock. Thus, accounting for weathering processes at depth and in the critical zone in parallel is crucial to fully assess how mountain-range uplift impacts the carbon cycle. Here, we quantify the exchange of CO₂ between rock and the atmosphere from subduction-related processes and from critical zone weathering reactions in two major river systems in the central Apennine Mountains of Italy. The catchments straddle a geodynamic gradient across the subduction zone that is expressed as changes in surface heat flow and crustal thickness, whereas climatic boundary conditions are relatively constant.  At the regional scale, we find that metamorphic CO₂ sources outpace critical zone inorganic carbon sources and sinks by 2 orders of magnitude above a window in the subducting slab that is characterized by high heat flow and low crustal thickness, and could have driven efficient degassing over the last 2 Ma. In contrast, surficial weathering processes dominate the carbon budget where crustal thickness is greater and heat flow is lower. Importantly, the difference in metamorphic degassing fluxes across the geodynamic gradient is multiple orders of magnitude larger than the difference in critical zone weathering fluxes. Thus, modulations of metamorphic decarbonation reactions are the most efficient process by which tectonics can regulate the inorganic carbon cycle in the Apennines. Both near-surface and deep sources of CO₂ must be considered when constructing the carbon budget of orogenic systems that include the subduction of carbonate rock.