Les eaux du Golfe du Mexique (GOM) jouent un rôle important dans le systéme climatique global car elles Intluencent les propriétés hydrologiques du Gulf Stream (GS), courant océanique chaud de surface faisant partie Intégrante de la circulation thermohaline (THC). Au cours du dernier cycle climatique, d'énormes écoulements d'eau douce, provenant de la fonte de la calotte Laurentide sur le continent-nord américain, se sont déversées au sein du GOM. moditiant ses caractéristiques hvdrologlques et donc celles du GS. Ces perturbations auraient pu, en altérant la THC, affecter le systéme climatique. La compréhension des transferts entre le continent nord-américain et le GOM au cours du dernier cycle climatique s'avére donc primordiale. En connaissant les principales sources continentales, les facteurs influençant le transport (réalisation de cartes de répartition des minéraux argileux sur le continent nord-américain et dans les sédiments du GOM) et la sédimentation (par modélisation analogique) du matériel terrigéne fin, l'étude des enregistrements sédimentaires (minéralogie des argiles, granulométrie ) et isotopiques ([delta]18O) de deux bassins du nord du GOM (Bassins d'Orca et d'Humphrey) a permis d'appréhender les transferts entre le continent nord-américain et le GOM au cours du dcrnier cycle climatique. La variabilité des apports détritiques du Mississippi et des fleuves du sud-ouest des États-Unis a pu être reliée aux variations paléo-environnementales (fonte de la calotte Laurentide et des glaciers des Montagnes Rocheuses) et paléoclimatiques (modifications des transferts d'humidité depuis le GOM vers le continent) qui affectent le continent nord-américain / The Gulf of Mexico (GOM) is a key area for the global thermohaline circulation (THC) and for the global-climatic system, since its hydrological characteristics (hlgh salinity and temperature) partly control Gulf Stream physical properties. Dunng the last climatic cycle, GOM hydrology was impacted by episodic freshwater inputs via the Mississippi River resulting from intermittent meltmg of the Laurentide Ice Sheet (LIS). The resulting salinity changes affected the THiC. global heat exchange and worldwide climatie conditions. Direct effeets of these freshwater supplies on the GOM paleoceanography have been documented studying the planktonic foraminifera [delta]18O evolution By contras!. terrigenous inputs associated with these meltwater pulses are poorly understood. These detrital fractions are. however. IIkeiv to provide information on the link between continental and marine records during the last climatic cycle. An overview of the main continental detrtital source areas, of the dominant factors controlling clav minerai transport patterns (by drawing clay minerai distribution maps in the US and northem GOM) and of thin terrigenous particle sedimentation in the GOM (by analogical modeIing), lays the groundwork for the use of clay-minerai assembiages for understanding the connection between North America and the GOM. The downcore investigations of sedimentary (clay mineralogy, grain-slze . .) and isotopic ([delta]18O) records ln two minibasins of the GOM (Orca Basin and Basin 4) allow us to explain the fluvial inputs variations, during the last climatic cycle, by paleoenvironmental (ice meltback) and paleocllmatic (atmospheric circulation) fluctuations that affected North America

La circulation thermohaline (THC) influe fortement sur le climat de l'Atlantique Nord. Le réchauffement climatique causé par les émissions anthropiques de CO2 risque d'altérer cette circulation océanique et donc le climat. Dans cette thèse nous proposons d'évaluer ce risque et de comprendre l'impact climatique de la THC dans le futur grâce au modèle couplé tridimensionnel océan-atmosphère-glace-de-mer-surface-terrestre IPSL-CM4. Dans un premier temps nous avons fait un tour d'horizon des principales théories et connaissances concernant la THC. Nous avons ensuite validé la pertinence d'IPSL-CM4 pour mener notre étude. Le rôle du sel est apparu primordial pour la dynamique de la THC. Nous avons ensuite mis en évidence la sensibilité de la THC au forçage global en eau douce de l'océan. Les différentes sensibilités des sites de convection de l'Atlantique Nord, liées principalement au processus de transport de sel, ont ainsi été mises en lumière dans IPSL-CM4. Nous nous sommes ensuite tourné vers l'analyse de simulations scénarios pour les siècles à venir. Il est apparu une diminution signicative de la THC dans ces simulations, qui est fortement ampliée si la fonte du Groenland est prise en compte. L'analyse de divers scénarios prenant en compte ou non cette fonte des glaciers a aussi permis d'isoler de manière originale le rôle joué par les rétroactions de la THC. En dernier lieu, l'effet de la THC sur le climat a été quantié dans IPSL-CM4 et apparaît être plus faible que le réchauffement climatique, même localement sur l'Europe. L'explication des mécanismes d'inuence de la THC sur le climat a aussi été clariée. L'impact de la THC sur le stockage de carbone dans l'océan a enn été évalué, et apparaît être très faible sur 140 ans. Tout ceci permet d'appréhender le rôle de la THC pour le climat et de son devenir dans le futur.

Les variations de l'intensité de la circulation thermohaline globale en Atlantique (l'Atlantic Meridional Overturning Circulation), qui constitue la composante nord-atlantique de la circulation thermohaline globale, sont fortement liées aux variations climatiques. Ces variations peuvent être retracées par les propriétés géochimiques des sédiments déposés par le sous-courant côtier de l'ouest (WBUC-Western Boundary UnderCurrent) qui entraîne les masses d'eau profonde de l'Atlantique Nord dans une gyre au fond des bassins d'Irminger et du Labrador. Les isotopes radiogéniques (Nd et Pb notamment) de la fraction argileuse des sédiments détritiques présentent un intérêt particulier car ils ont la propriété de préserver la signature isotopique d'origine des différentes sources rocheuses qui contribuent à la charge sédimentaire du bassin. Ici, nous examinons les variations de la composition isotopique du Nd et du Pb commun sur la fraction argileuse (< 2µm) des sédiments couvrant les stades isotopiques marins 27 à 31 (~ intervalle de Jaramillo) dans la carotte IODP-1305, pour les comparer avec celles reportées par (Fagel et al., 1999 ; 2002 et 2006) à partir d'un forage voisin couvrant les derniers 400 ka (stades isotopiques 1 à 11; site ODP-646) et d'une carotte de la station 90-013-013 (PC-13) couvrant les derniers 170 ka. Les carottes des forages IODP-1305, ODP-646 et la carotte par piston PC-13 ont été prélevées au large du Cap Farewell (sud Groenland), sous l'axe d'intensité maximale du WBUC et à une profondeur d'environ 3400 m. Fagel et al., (1999,2002 et 2006) ont montré que les alternances glaciaires-interglaciaires des stades isotopiques 1 à 11 se marquaient par des fluctuations relatives-des sources des sédiments: i) le bouclier groenlandais nord Américain, ii) du matériel récent provenant du volcanisme islandais et de la ride de Reykjanes, iii) une composante paléozoïque. Les résultats des analyses isotopiques des stades isotopiques 27 à 31, obtenus dans le cadre de ce travail, s'inscrivent hors du champ défini par les sédiments précédents. Ils indiquent une composition isotopique plus radiogénique que celle des carottes du forage ODP-646 et de la station (90-013-01). Les valeurs des rapports ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd varient entre 0,511703 et 0,512356, εNd varie entre -18,2 et -5,5, les rappolts ¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd s'étendent de 0,1061 à 0,1228, les rapports ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb varient entre 18,992 et 18,0195 et les rapports ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb varient entre 15,445 et 15,594. Ces compositions laissent croire à l'implication d'une source sédimentaire distincte de celles identifiées par Fagel et al., (1999, 2002, 2006) et qui pourrait être associée aux roches volcaniques tertiaires du Groenland. La différence des signatures isotopiques et l'évolution des sources sédimentaires entre les carottes IODP-1305, ODP-646 et la 90-013-013 indiquent que la circulation thermohaline a probablement évolué d'une manière significative entre les stades 27-31 et 1-11, et que l'étendue des glaces, sur le Groenland, était probablement moindre au cours du premier intervalle que du second, rendant ainsi compte de l'altération chimique des roches tertiaires est-groenlandaises indiquée par les compositions isotopiques du Nd et du Pb. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Atlantique Nord-Ouest, Circulation thermohaline, Géochimie, lODP, Isotope, Néodyme, Océanographie, Paléoclimat, Pléistocène, Plomb, Traceurs géochimiques.

Les études antérieures des assemblages minéralogiques argileux en Atlantique Nord ont montré que leur abondance relative fournit des informations sur les courants marins profonds ainsi que sur les taux d'érosion glaciaire des continents avoisinants. Ils peuvent donc être utilisés pour la reconstitution des variations de la circulation de renversement méridional de l'Atlantique (AMOC-Atlantic Meridional Overturning Circulation), principal moteur de la circulation thermohaline globale. Cette étude fait état de l'analyse des assemblages minéralogiques argileux de plus de 200 échantillons de sédiments provenant du forage IODP-1305. Ce site est localisé sur l'extrémité sud-ouest de la ride d'Eirik (sud du Groenland) sous l'axe du courant de contour côtier profond de l'Ouest (WBUC-Western Boundary UnderCurrent) qui entraine la masse d'eau profonde de j'Atlantique Nord (NADW-North Atlantic Deep Water) en sa gyre dans la Mer du Labrador. Le but est de caractériser la composition minéralogique, donc les sources, des particules fines transportées par le WBUC en Mer du Labrador durant le début du Pléistocène (~1.1 Ma; stades isotopiques de l'oxygène OIS 27 à 31), tandis que le climat était fortement rythmé par le cycle astronomique d'environ 40 ka, en comparaison avec les derniers 365 Ka (OIS 1-10), sous le forçage d'environ 100 ka, illustrés par les travaux de Fagel et Hillaire-Marcel (2006) sur le forage ODP-646, sensiblement localisé au même endroit. Trois sources principales de particules fines contribuent à l'assemblage minéralogique du site d'étude: 1) source précambrienne du Canada, du Groenland et/ou de la Scandinavie; 2) matériel paléozoïque récent de l'est du Groenland, du N-O de l’Europe et/ou de la Scandinavie; 3) source volcanique provenant de l'Islande et de la ride médio-océanique. La minéralogie argileuse est déterminée par diffraction des rayons X sur la fraction argileuse inférieure à 2µm. Une attention spéciale est portée aux propriétés radiocristallographiques des smectites comme traceurs des circulations océaniques. Les assemblages argileux des échantillons étudiés montrent une composition moyenne typique de la région (-60% smectites, -20% illite, -10% chlorite+kaolinite). Cependant, la comparaison de l'évolution des apports particulaires avec ceux du forage ODP-646 (Fagel et al.; 2006) indique pour l'intervalle étudié ici: 1) une tendance opposée du modèle d'apport entre les périodes glaciaires/interglaciaires; 2) une intensification des apports proximaux laissant apparaître un autre type d'érosion (chimique) en plus de l'érosion mécanique glaciaire. L'utilisation des saturations cationiques (Li, K, Mg) indique que les smectites sont issues de l'altération de roches volcaniques acides du Groenland associées à l'ouverture de l'Atlantique pendant le Tertiaire. Ces résultats suggèrent une AMOC plus méridionale et un WBUC moins prononcé sous forçage de 40 ka, avec des apports islandais et médio-océanique réduits. L'importance des apports proximaux indique une calotte glaciaire groenlandaise assez réduite vers 1.1 Ma sous un climat régional probablement plus doux que celui des derniers cycles climatiques. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Circulation thermohaline, Paléoclimat, Pléistocène, IODP, Assemblages minéralogiques argileux, Diffraction des Rayons X, Smectites, Paléotraceur, Saturation cationique.

L'Eau Antarctique de Fond constitue la principale masse d'eau océanique par son volume, et nourrit la composante la plus profonde et la plus lente de la circulation océanique. Les processus qui régissent son cycle de vie sont donc clé pour la capacité de stockage de l'océan en carbone et chaleur aux échelles centennales à multi-millénaires. Cette thèse tente de caractériser et quantifier les principaux processus responsables de la destruction (synonyme d'allègement et de remontée) de l'Eau Antarctique de Fond dans l'océan abyssal. A partir d'une estimée issue d'observations de la structure thermohaline de l'océan mondial et de diagnostics fondés sur le budget de densité des eaux profondes, les rôles respectifs du chauffage géothermal, du mélange turbulent par déferlement d'ondes internes et de la géométrie des bassins sont évalués. Il est montré que la géométrie de l'océan gouverne la structure de la circulation de l'Eau Antarctique de Fond. La contribution du déferlement des ondes internes, bien que mal contrainte, est estimée insuffisante pour maintenir un rythme de destruction de l'Eau Antarctique de Fond comparable à celui de sa formation. Le chauffage géothermal a quant à lui un rôle important pour la remontée des eaux recouvrant une large surface du lit océanique. Les résultats suggèrent une réévaluation de l'importance du mélange au niveau des détroits et seuils profonds, mais aussi du rôle fondamental de la forme des bassins, pour l'allègement et le transport des eaux abyssales. / Antarctic Bottom Water is the most voluminous water mass of the World Ocean, and it feeds the deepest and slowest component of ocean circulation. The processes that govern its lifecycle are therefore key to the ocean's carbon and heat storage capacity on centennial to multi-millennial timescales. This thesis aims at characterizing and quantifying processes responsible for the destruction (synonymous of lightening and upwelling) of Antarctic Bottom Water in the abyssal ocean. Using an observational estimate of the global ocean thermohaline structure and diagnostics based on the density budget of deep waters, we explore the roles of basin geometry, geothermal heating and mixing by breaking internal waves for the abyssal circulation. We show that the shape of ocean basins largely controls the structure of abyssal upwelling. The contribution of mixing powered by breaking internal waves, though poorly constrained, is estimated to be insufficient to destroy Antarctic Bottom Water at a rate comparable to that of its formation. Geothermal heating plays an important role for the upwelling of waters covering large seafloor areas. The results suggest a reappraisal of the role of mixing in deep straits and sills, but also of the fundamental role of basin geometry, for the lightening and transport of abyssal waters.

Le but de cette thèse est d’analyser les impacts de la variabilité atmosphérique grande échelle sur la circulation océanique. Ceci a déjà fait l’objet de nombreuses publications, dans lesquelles la variabilité atmosphérique est analysée en termes de modes de variabilité, déterminés par analyse en composantes principales (EOF en anglais) des anomalies de pression de surface. Ces modes sont l’Oscillation Nord-Atlantic (NAO), le Pattern Est-Atlantique (EAP) et le Pattern Scandinave (SCAN). La décomposition en EOF implique que les modes sont orthogonaux et symétriques. Cette dernière hypothèse a été montrée comme étant invalide pour la NAO. Par conséquent, un nouveau concept est proposé dans cette étude pour estimer la variabilité atmosphérique, celui des régimes de temps. Ces derniers sont des structures spatiales de grande échelle, récurrents et quasi-Stationnaires qui permettent de capturer la variabilité des forçages atmosphériques. De plus, ils permettent de séparer les patterns spatiaux des deux phases de la NAO. Ces régimes de temps sont donc une alternative prometteuse pour l’analyse de la variabilité océanique forcée par l’atmosphère. A partir d’observation et de modèles numériques (réalistes ou idéalisés), nous avons montré que les régimes Atlantic Ridge (AR), NAO− et NAO+ induisent une réponse rapide (échelles mensuelles à interannuelles) des gyres subtropical et subpolaire (via un mécanisme de Sverdrup topographique) et de la cellule de retournement (MOC, ajustement aux anomalies de transport d’Ekman). Aux échelles décennales, le gyre subpolaire s’intensifie lors de conditions NAO+ et BLK persistantes via un ajustement barocline aux flux de flottabilité et s’affaiblit pour AR via un ajustement barocline aux anomalies de rotationnel de vent. Ce dernier mécanisme explique aussi l’augmentation du gyre subtropical pour une NAO+ persistante et son affaiblissement pour un AR persistant. La réponse des gyres pour des conditions de NAO− persistantes est un déplacement vers le sud des gyres (l’intergyre gyre). L’intensité de la MOC est augmentée pour des conditions de NAO+ et BLK persistantes, dû à l’augmentation de la formation d’eau dense en mer du Labrador, et inversement pour NAO− et AR. Finalement, des bilans de contenu de chaleur dans la gyre subpolaire et les mers nordiques ont été effectués dans quatre modèles océaniques globaux. Les moyennes d’hiver de convergence océanique de chaleur dans la partie ouest de la gyre subpolaire sont positivement corrélées aux occurrences d’hiver de NAO−, ce qui est dû à la présence de l’intergyre, tandis que cette convergence est négativement corrélée aux occurrences d’AR, ce qui est dû à la réduction des deux gyres qui lui est associée. Les flux de chaleur vers l’océan dans la gyre subpolaire sont négativement corrélés aux occurrences d’hiver de la NAO+ et inversement pour la NAO−. Dans les mers Nordiques, ils sont positivement corrélés aux occurrences de BLK et, dans une moindre mesure, aux occurrences de AR. De plus, nous suggérons que la variabilité du contenu de chaleur dans la partie ouest du gyre subpolaire est la réponse décalée (lag de 6 ans) à l’intégration temporelle du forçage lié au régime NAO+, due à la combinaison de la réponse en phase (0-Lag) des flux de chaleur et à la réponse décalée (lag de 3 ans) de la convergence de chaleur. / The aim of the PhD is to investigate the impacts of the large-Scale atmospheric variability on the North- Atlantic ocean circulation. This question has already been addressed in a large number of studies, in which the atmospheric variability is decomposed into modes of variability, determined by decomposing sea-Level pressure anomalies into Empirical Orthogonal Function (EOFs). These modes of variability are the North-Atlantic Oscillation (NAO), the East-Atlantic Pattern (EAP) and the Scandinavian Pattern (SCAN). EOF decomposition assumes that the modes are orthogonal and symmetric. The latter assumption, however, has been shown to be inadequate for the NAO. Hence, a different framework is used in this study to assess the atmospheric variability, the so-Called weather regimes. These are large-Scale, recurrent and quasi-Stationary atmospheric patterns that have been shown to capture well the interannual and decadal variability of atmospheric forcing to the ocean. Furthermore, they allow to separate the spatial patterns of the positive and negative NAO phases. Hence, these weather regimes are a promising alternative to modes of variability in the study of the ocean response to atmospheric variability. Using observations and numerical models (realistic or in idealised settings), we have shown that the Atlantic Ridge (AR), NAO− and NAO+ regimes drive a fast (monthly to interannual) wind-Driven response of the subtropical and subpolar gyres (topographic Sverdrup balance) and of the meridional overturning circulation (MOC, driven by Ekman transport anomalies). At decadal timescales, the subpolar gyre strengthens for persistent NAO+ and Scandinavian Blocking (BLK) conditions via baroclinic adjustment to buoyancy fluxes and slackens for persistent AR conditions via baroclinic adjustment to wind-Stress curl anomalies. The latter mechanism also accounts for the strengthening of the subtropical gyre for persistent NAO+ conditions and its weakening for persistent AR conditions. The gyres response to persistent NAO− conditions reflects the southward shift of the gyre system (the intergyre gyre). The MOC spins-Up for persistent NAO+ and BLK conditions via increased deep water formation in the Labrador Sea, and conversely for the NAO− and AR regimes. Last, heat budget calculations in the subpolar gyre and the Nordic Seas have been performed using four global ocean hindcasts. The winter averaged heat convergence in the western subpolar gyre is positively correlated with the NAO− winter occurrences, which is due to the intergyregyre circulation, while it is negatively correlated with AR winter occurrences, because of the wind-Driven reduction of both gyres. Downward surface heat flux anomalies are negatively correlated with NAO+ occurrences, and conversely for the NAO−. In the Nordic Seas, they are positively correlated with BLK and to a lesser extent AR occurrences. Furthermore, we suggest that the heat content variability in the western subpolar gyre is the signature of the delayed response (6-Year lag) to the time-Integrated NAO+ forcing, due to the combination of the immediate (0-Lag) response of surface heat flux and the lagged (3 year lag) response of ocean heat convergence.

Les flux air-mer, la convection profonde et la cyclogénèse sont étudiés en Méditerranée<br />grâce au développement d'un modèle régional couplé (AORCM). Il reproduit correctement<br />ces processus et permet de quantifier et d'étudier leur variabilité climatique. Le couplage<br />régional a un impact significatif sur le nombre de cyclogénèses intenses en hiver et sur<br />les flux et précipitations associés. Il simule une variabilité interannuelle plus faible qu'en<br />mode forcé pour les flux et la convection et permet de comprendre les rétroactions<br />qui la pilotent. L'impact régional d'un scénario climatique est analysé avec les modèles<br />non-couplés : le nombre de cyclogénèses diminue, les pluies associées augmentent au<br />printemps et en automne et diminuent en été. En outre, la Méditerranée se réchauffe,<br />se sale et sa circulation thermohaline s'affaiblit fortement. Cette thèse conclut de plus à<br />la nécessité des AORCMs pour étudier l'impact du changement climatique en Méditerranée.

La mer Ionienne est une zone à la géodynamique active en raison de la convergence entre les plaques Nubie et Eurasie. Elle correspond aux derniers stades de vie d’un océan, la Téthys. De ce fait, la tectonique et la sédimentation y sont très réduites ; et les faibles flux sédimentaires permettent ainsi d’enregistrer une multiplicité de processus sédimentaires.Néanmoins, c’est une zone encore peu étudiée d’un point de vue sédimentaire, notamment sur les échelles de temps de l’ordre de la centaine de milliers d’années. Ce travail est basé sur une étude sédimentologique d’archives marines complétée par des données acoustiques (bathymétrie et multi-faisceau) issue de campagnes océanographiques du SHOM. L’analyse détaillée des faciès et des séquences sédimentaire a permis, dans un premier temps, d’établir un calendrier des risques naturels (séismes, tsunamis, volcanisme), leurs sources et leurs processus de dépôt dans le bassin pour les derniers 330 000 ans. Puis, dans un second temps, de retracer l’évolution sur les derniers 400 000 ans de la circulation et de l’oxygénation des eaux de fond dans le bassin ionien et l’influence du détroit de Sicile, et notamment de la plate-forme de Malte, sur les échanges entre les bassins occidental et oriental. L’intégration des données sédimentologiques dans un modèle géoacoustique développé par le SHOM a finalement permis de déterminer l’impact des variations sédimentaires (distribution spatiale, lithologie, stratification) sur la propagation des ondes acoustique pour différentes gammes de fréquences (300 Hz - 3000 Hz) et d’angle d’incidence (0 -90°) et d’établir une cartographie de la réponse sédimentaire du le signal acoustique. / The Ionian Sea is an active geodynamic area because of the convergence between theNubia and the Eurasia plate. It corresponds to the last stage of the Tethys ocean life. Therefore,the tectonics and the sedimentation are much reduced; and the low sedimentary supply enables torecord a multiplicity of sedimentary processes. Nevertheless, this area still poorly studied from asedimentary point of view, in particular on timescales on the order of hundred thousand years.This work is based on a sedimentological study of marine archives supplemented by acoustic data(bathymetry and multibeam imagery) recovered during oceanographic campaign leaded by theSHOM. The detailed sedimentary analysis of facies and sequences allows, at first, to established acalendar of the natural hazard (earthquakes, tsunamis, volcanism), their origins and theirdepositional processes into the basin over the last 330 000 years. Then, secondly, to reconstructthe evolution over the last 400 000 years of the circulation and the oxygenation of bottom waterthrough the Ionian basin and the influence of the strait of Sicily, in particular of the Malta Plateau,on the exchanges between the western and the eastern basins. The integration of thesedimentological data in a geoacoustic modelling developed by the SHOM finally allowed todetermine the impact of the sedimentary variability (special distribution, lithology, stratification)on the acoustic waves propagation for various frequency bands (300 Hz - 3000 Hz) and incidentangle (0 - 90°) and to established a mapping of the sedimentary answer of the acoustic signal.