La dernière période glaciaire a été ponctuée d’évènements climatiques abrupts connus sous le nom d’évènements d’Heinrich et évènements de Dansgaard-Oeschger. Cette variabilité millénaire a fait l’objet de nombreuses études, mais plusieurs incertitudes demeurent. Ce travail de doctorat vise à étendre et compléter les connaissances existantes sur cette variabilité climatique rapide en ciblant l’étude des variations hydrographiques telles qu’enregistrées au sein de deux archives sédimentaires prélevées au niveau des îles Féroé. Nos principaux résultats, basés sur une approche intégrée multiproxies, mettent en évidence un schéma atypique en Mer de Norvège, où les épisodes froids (stadiaires, évènements d’Heinrich inclus) sont marqués par des températures océaniques de surface relativement élevées (notamment en été) et un couvert de glace de mer réduit à quelques mois par an, et inversement pour les périodes chaudes (interstadiaires) qui enregistrent des conditions océaniques de surface froides et une expansion du couvert de glace de mer. Le caractère atypique des stadiaires paraît lié à une advection accrue d’eaux chaudes atlantiques dans les Mers Nordiques, couplée à un réchauffement de subsurface généralisé au bassin subpolaire Nord-Atlantique et ses mers bordières. Ces deux processus semblent jouer un rôle majeur dans la déstabilisation des ice-shelves et glaciers boréaux, et in fine dans leur effondrement final et les débâcles d’icebergs qui en résultent. Nos travaux nous permettent également de dégager les principaux mécanismes à l’origine des changements de circulation océanique en Atlantique Nord et des variations de température atmosphérique associées. Sur la base de l’ensemble de nos résultats et de ceux émanant de précédentes études, nous proposons ainsi un nouveau scénario de fonctionnement couplé océan-glace-atmosphère permettant d’expliquer les évènements climatiques abrupts de la dernière période glaciaire. / The last glacial period was punctuated by abrupt climatic events known as Dansgaard-Oeschger and Heinrich events. Many studies have focused on this millennial climatic variability, but several uncertainties remain. The present work aims at improving our knowledge on this topic through the study of the hydrographical changes recorded in two marine archives retrieved off Faeroes. Our main results, based on a multiproxy approach, reveal a paradoxical scheme in the Norwegian Sea where cold episodes (stadials, including Heinrich events) are characterized by relatively warm sea-surface temperatures (especially during summer) and a reduced sea-ice cover, and warm periods (interstadials) are marked by a reverse pattern with cold sea surface conditions and extended sea ice cover. The atypical stadial features seem to be related to enhanced advection of warm Atlantic waters in the Nordic Seas, combined to a subpolar North-Atlantic and adjacent seas basin-wide subsurface warming. These two processes seem to play a key role in the destabilization of boreal ice-shelves and ice-sheets, and in fine to their final collapse and subsequent iceberg discharges. Our work also allows us to identify the main mechanisms responsible for Atlantic Meridional Overturning Circulation changes and associated atmospheric temperature variations. On the basis of our results and of those coming from previous studies, we thus propose a new hydrographical scenario which could explain the abrupt climate events of the last glacial period

Geologic records and climate model simulations suggest that changes in the meridional heat transport in the Atlantic Ocean were involved in the abrupt warming events – the so-called Dansgaard-Oeschger Interstadials (DOIs) – that punctuated an otherwise cold Greenland climate during the last glacial period. However, the role of Northern Hemisphere (NH) ice sheets in these events remains a subject of controversy. Here we report on the first attempt to combine quantitatively a paleo-temperature proxy with simplified ocean models, with the specific purpose of extracting information about the changes in mass balance of the NH ice sheets during the last glaciation. A Greenland paleotemperature record is combined with the climate models using Bayesian Stochastic Inversion (BSI) in order to estimate the changes that would be required to alter the Atlantic Ocean mass and heat transports between ~30 and 39 thousand years ago. The mean sea level changes implied by changes in NH ice sheet mass balance agree in amplitude and timing with reconstructions from the geologic record, which gives some support to the freshwater forcing hypothesis. Our results are unaffected by uncertainties in the representation of vertical buoyancy transport in the tropical ocean, in large part because the global adjustments to high latitude freshening bypass the tropics and affect sinking rate in the opposite pole. However, the solutions are sensitive to assumptions about physical processes at polar latitudes. We find that the inversion reproduces the gradual changes in sea level and Antarctic temperature inferred from the independent evidence provided by proxy records. The Greenland warm event lasting over 3000 years (DOI 8) can be explained by sustained growth of NH ice sheet and reduced supply of icebergs to the North Atlantic. Our results indicate a more involved role of the NH ice sheets than previously thought, in which both collapse and subsequent growth would be required to explain the full series of the long (> 3000 years) warm events recorded in Greenland ice. / text

A high-resolution multi-proxy reconstruction of the Arabian Sea Summer Monsoon (ASSM) intensity over the past 90,000 years has been determined using two marine sediment cores: one from the Somali margin and one from the Indian margin. This reconstruction indicates that changes in monsoon- induced upwelling, primary productivity and denitrification have varied in synchrony with Dansgaard-Oeschger (D-O) cycles. Increased monsoon intensity correlates with warm climate events (interstadials) and decreased monsoon intensity, which coincides with stadials and Heinrich Events, is confirmed by elevated dust concentrations in the marine cores. A comparison of the Somali and Indian margin cores with previously reported studies from the Northern and Western Basin allows the identification of discrete sediment signals from the Indus River, the Arabian Peninsula and from local riverine runoff. Sedimentary deposition on the Indian margin during interglacials is dominated by local terrestrial runoff, whereas during glacial periods increased dust input from the Arabian Peninsula is evident. Both signals are related to changes in the intensity of the ASSM. Monsoon intensity has decreased during the Holocene as the Intertropical Convergence Zone (ITCZ) has moved to a more southerly position. The ASSM-ITCZ relationship (increased ASSM intensity and a northern ITCZ, decreased ASSM intensity and a southern ITCZ) has remained consistent over the last glacial cycle suggesting that global millennial scale climatic variability is in part driven by modulations in tropical hydrological cycle. This ASSM reconstruction provides evidence that rearrangements in the tropical convection system affected atmospheric dust concentrations as well as the concentration and location of atmospheric water vapour. In addition to modulating terrestrial and marine emissions of greenhouse gases, variation in the tropical hydrological cycle provides a mechanism of amplifying and perpetuating millennial-scale climatic changes.

A high-resolution record of organic-walled dinoflagellate cyst production in Guaymas Basin, Gulf of California (Mexico) reveals a complex paleoceanographic history over the last ~40 ka. Guaymas Basin is an excellent location to perform high resolution studies of changes in Late Quaternary climate and paleo-productivity because it is characterized by high primary productivity, high sedimentation rates, and low oxygen bottom waters. These factors contribute to the deposition and preservation of laminated sediments throughout large portions of the core MD02-2515. In this study we document dinoflagellate cyst production at a centennial to millennial scale throughout the Late Quaternary. Based on the cyst assemblages three major dinoflagellate cyst zones, with seven subzones were established. The most dominant dinoflagellate cyst taxa found throughout the core were Brigantedinium spp. and Operculodinium centrocarpum. Dansgaard-Oeschger events 5-8 are inferred in the dinoflagellate cyst records on the basis of increases in warm taxa, such as Spiniferites pachydermus. Preceding and during the Last Glacial Maximum cysts of Polykrikos cf. kofoidii increase in abundance, responding to oceanographic changes in the Gulf of California perhaps caused by a regression in sea-level. Other intervals of interest are the Younger Dryas where cooler conditions are not recorded, and the Holocene which is characterized by the consistent presence of warm water species Stelladinium reidii, Tuberculodinidum vancampoae, Bitectatodinium spongium and an increase in Quinquecuspis concreta. Changes in cyst assemblages, concentrations and species diversity, along with geochemical data reflect major millennial scale climatic and oceanographic changes. / Graduate

Abrupt, millennial-scale climate oscillations, known as Dansgaard-Oeschger (D-O) cycles, characterized the climate system during the last ice age. Proxy evidence suggests these climate oscillations resulted in global-scale reorganizations in the hydrological cycle. For this study, Mg/Ca-paleothermometry and stable isotope measurements were combined on the planktonic foraminifera Globigerinoides ruber (white variety) from Florida Straits sediment core KNR166-2 JPC26 (24*19.61'N, 83*15.14'W; 546 m depth) to reconstruct a high-resolution record of sea surface temperature and delta18OSW (a proxy for upper water column salinity) during Marine Isotope Stages 2 and 3 from 20-35.45 ka BP. As additional proxies for upper water column salinity change, Ba/Ca ratios in G. ruber were also measured to determine the relative contribution of local riverine input on the delta18OSW record and a faunal abundance count record of the planktonic foraminifera N. dutertrei abundance was developed. These results show that rapid upper water column salinity changes occurred across D-O events in the Florida Straits, coeval with climate change in the high-latitude North Atlantic. Furthermore, the G. ruber Ba/Ca record suggests that riverine-derived meltwater from the Gulf of Mexico did not significantly impact surface salinity in the Florida current, calling into question the role of Mississippi River discharge on Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) during MIS 2 and 3. Instead, the most likely cause of MIS 2 and 3 salinity changes in the Florida Straits were variations in the strength and position of the Intertropical Convergence Zone. Finally, the timing of surface salinity change was compared with the benthic delta18OC record from the same core. A recent study showed that benthic delta18OC changes on the Florida Margin can be combined with contemporaneous records from the Bahamas Margin to reconstruct Florida Current transport related to AMOC variability. These results show that atmospheric circulation changes lead AMOC changes on the transition out of cold stadial events, suggesting the trigger for these abrupt climate events may reside in the tropics rather than in the high-latitude North Atlantic as previously thought.

Ice core records from Greenland have shown times of rapid warming during the most recent glacial period, called Dansgaard-Oeschger (D-O) events. D-O events are important to our understanding of both past climate systems and modern climate volatility. In this paper, we present new approaches for statistically evaluating the existence of cyclicity in D-O events and the possible lagged correlation between the Greenland and Antarctica temperature records. Specifically, we consider permutation testing and bootstrapping methodologies for assessing the cyclicity of D-O events and the correlation between the Greenland and Antarctica records. We find that there is not enough evidence to conclude that D-O events are cyclical; however, the Antarctica record leads the Greenland record by 545 years with a statistically significant correlation of 0.455.

Tandis que la variabilité climatique à long terme du Quaternaire terminal (oscillations glaciaire/interglaciaire) est relativement bien appréhendée aujourd’hui, l'origine et la modalité des variations climatiques haute-fréquence séculaires à millénaires, depuis la très haute fréquence des cycles de Dansgaard-Oeschger (D/O) jusqu'à la plus grande périodicité des événements d'Heinrich, restent toujours matière à débat. Parmi les éléments encore équivoques se trouvent notamment les modalités de transferts de chaleur méridiens et latitudinaux. A ce titre, la connexion hydrologique entre l’Atlantique et la Méditerranée apparaît comme un exemple d’étude particulièrement approprié vu qu’elle illustre le couplage de phénomènes jouant selon un double gradient Est-Ouest et Nord-Sud, reliant ainsi processus subtropicaux et nord atlantiques. Nous avons ainsi ciblé nos analyses sur des séquences prélevées autour du détroit de Gibraltar, avec pour objectif d’étendre les connaissances spatiales et temporelles de la variabilité climatique haute fréquence des derniers 50 000 ans dans le secteur de l’Atlantique Est subtropical et de la Méditerranée occidentale. La méthodologie de cette thèse est ainsi basée sur une comparaison multi-proxies qui inclut des analyses micropaléontologiques (dinokystes et foraminifères planctoniques) et géochimiques (isotopes stables et alkénones). Nous avons ainsi pu tester la cohérence des changements hydrologiques de surface inter- et intra-bassins et tenter de caractériser la migration des fronts hydrologiques associés. Grâce aux sites des marges marocaine et portugaise, notamment, nous avons pu vérifier l’impact des cycles de D/O sur la variabilité de l’intensité des cellules d’upwelling côtières dans ce secteur et sur la dynamique de la veine d’eau méditerranéenne profonde (MOW), couplant signaux des masses d’eau superficielles (température, salinité et productivité) aux paléo-intensités de la MOW. / While the long-term climatic variability of the Quaternary is relatively well understood today, the causes and processes at the origin of the rapid and brutal climatic variability that characterized the last glacial period (Dansgaard-Oeschger cycles), including meridional and latitudinal heat transfer mechanisms, are still subject to debate. As such, studying the hydrological connection between the Atlantic and the Mediterranean Sea appears particularly appropriate since it illustrates the coupling acting on a double East-West and North-South gradient. It furthermore links subtropical processes and North Atlantic ones. We focused our analysis on sedimentary sequences retrieved around the Strait of Gibraltar, in order to extend the spatial and temporal knowledges about the impact of the high frequency climatic variability of the last 50 000 years in the sector of the eastern subtropical Atlantic and of the western Mediterranean Sea. The methodology of this thesis is based on a multi-proxy compilation coupling micropaleontological (dinocysts and planktonic foraminifera) and geochemical (stable isotopes and alkenones) approaches. We have tested the consistency of the sea-surface paleohydrological changes at inter-and intra-basins scales and tried to characterize the associated migration of the hydrological fronts. Sites of the Portuguese and Moroccan margins, in particular, allowed us to document the impact of the D/O cycles on the intensity of coastal upwelling cells as well as on the dynamics of the MOW, by coupling sea surface signals (temperature, salinity and productivity) to paleointensity of the MOW.

Les régions polaires sont particulièrement touchées par le changement climatique actuel, en raison des mécanismes d'amplification qui y opèrent. Les forages de glace en Antarctique et au Groenland sont des témoins précieux des variations paléoclimatiques locales et donnent aussi accès à des informations sur les modifications environnementales des latitudes plus basses. Ce travail de thèse repose sur l'obtention d'informations délivrées par l'air progressivement emprisonné sous forme de bulle lors du processus de transformation de la neige en glace : la composition élémentaire et isotopique de l'air (N2, O2, Ar et Kr) et la concentration en méthane. Nos résultats permettent de progresser sur trois aspects différents mais intimement liés : (i) L'évolution passée de la structure des névés en Antarctique. La mesure des isotopes du krypton sur le forage profond de Dome C (EDC pour EPICA Dome C) nous permet de mettre en évidence qu'une zone convective de l'ordre de 20-50 m a pu se développer dans le névé en période glaciaire. L'étude conjointe des profils isotopiques de l'azote ("15N) mesurés sur les forages EPICA Dronning Maud Land (EDML) et TALDICE suggèrent que l'évolution de la structure du névé des deux sites ne répond plus de manière simple aux changements du taux d'accumulation en surface lorsque celui-ci dépasse un seuil de 5 ±1.5 cm eq. glace an- 1. (ii) La datation des forages glaciologiques. Nous avons exploité le premier enregistrement de "O2/N2 produit entre 300 000 et 800 000 ans sur l'air piégé dans la glace de EDC. Alors qu'il semble délicat d'utiliser ce signal pour construire une nouvelle datation par calage orbital de ce forage, en particulier pour les périodes de faible excentricité, le "O2/N2 se révèle être un outil pertinent pour tester les limites et les incertitudes de la datation actuelle du forage (EDC3). L'utilisation conjointe des isotopes de l'oxygène atmosphérique et du méthane nous permet d'établir une synchronisation des forages de EDML (Antarctique) et de NorthGRIP (Groenland) couvrant le début de la dernière période glaciaire (75 000-123 000 ans) avec une incertitude inférieure à 400 ans. (iii) Cette datation relative nous permet de décrire les variations climatiques rapides au début de la dernière période glaciaire au Groenland et en Antarctique. Nous mettons en évidence une variabilité climatique sub-millénaire superposée à la succession classique des évènements de Dansgaard Oeschger, i.e. des évènements précurseurs aux évènements rapides, des rebonds climatiques en fin d'interstade. Nous démontrons que le mécanisme de bascule bipolaire entre le Groenland et l'Antarctique est également opérationnel à l'échelle sub- millénaire. Une étude multiparamétrique sur le premier événement abrupt enregistré dans la glace de NorthGRIP (DO25) montre que cet événement caractérise la transition entre la dernière période interglaciaire et la mise en place d'une variabilité abrupte couplant les hautes et les basses latitudes. L'ensemble de nos résultats établit un lien étroit entre la dynamique climatique rapide à l'échelle millénaire et les composantes à évolution lente qui imposent l'état de base du système climatique (configuration orbitale, volume des glaces).

Les mesures isotopiques de la glace montrent une succession de réchauffements rapides (Dansgaard-Oeschger) pendant la dernière période glaciaire au Groenland. Ils suggèrent aussi une grande variabilité climatique du dernier interglaciaire et de l'entrée en glaciation. Notre travail s'est appuyé sur les développements récents des mesures isotopiques de l'air piégé dans la glace (N2, O2 et Ar) et de la modélisation du névé pour (i) distinguer la variabilité climatique rapide réelle des artéfacts d'écoulement de la glace, (ii) quantifier l'évolution de température au-dessus du Groenland pendant les événements rapides de la dernière période glaciaire et de l'entrée en glaciation, et (iii) étudier les relations de phase entre la dynamique de la température au Groenland et d'autres acteurs du système climatique (teneur en gaz à effet de serre, volume des calottes de glace, végétation, température aux autres latitudes). Nous nous sommes d'abord attachés à définir les limites et précautions associées à la méthode. D'une part, l'analyse isotopique de l'oxygène piégé ne peut être effectuée que sur de la glace de bonne qualité, conservée à -25°C. D'autre part, un ensemble d'études de névé ont permis d'affiner sa représentation et sa modélisation. Malgré la compréhension accrue de la physique du névé, nous montrons, à partir d'une étude de la déglaciation, que des incertitudes sur les caractéristiques de surface (taux d'accumulation, température) limitent l'interprétation climatique actuelle des isotopes de l'azote et de l'argon en Antarctique. La majeure partie de cette thèse est axée sur le Groenland (carottes de GRIP et NorthGRIP). En exploitant conjointement les isotopes de l'air (de l'azote, de l'argon et de l'oxygène), les isotopes de l'eau (de l'oxygène et de l'hydrogène) et un modèle performant de névé, nous pouvons reconstruire le scénario de température en surface du Groenland en éliminant les biais, liés au cycle hydrologique en Atlantique Nord, qui affectent l'interprétation conventionnelle des isotopes de l'eau comme paléothermomètre. Les réchauffements rapides en période glaciaire atteignent jusqu'à 16°C en une centaine d'années. La température au Groenland pendant les événements de Dansgaard-Oeschger se révèle moins stable qu'initialement interprétée d'après les isotopes de l'eau suggérant un lien fort avec l'intensité de la circulation thermohaline via l'atmosphère. A cause d'un mélange de glace, la carotte de GRIP ne permet pas de donner un enregistrement de la dernière période interglaciaire. Néanmoins, l'utilisation conjointe des isotopes de l'oxygène atmosphérique et du méthane piégés dans la glace permet de proposer une séquence discontinue pour le dernier interglaciaire au centre du Groenland. La température y était de 5°C plus importante qu'aujourd'hui mais la glace couvrait encore le centre du Groenland. Le nouveau carottage de NorthGRIP a permis d'obtenir à nouveau de la glace du dernier interglaciaire. Nous montrons que NorthGRIP donne le premier enregistrement continu de l'entrée en glaciation au Groenland et que la glace la plus profonde correspond au milieu du dernier interglaciaire (minimum de volume des glaces). La variabilité climatique rapide est d'abord restreinte à l'Atlantique Nord pendant un premier événement de Dansgaard-Oeschger (DO 25). Dès que le volume des glaces atteint un certain seuil (~ tiers de la différence entre le dernier maximum glaciaire et l'actuel), le deuxième événement de Dansgaard-Oeschger porte la signature typique des événements ponctuant l'ensemble de la période glaciaire.

Le but de cette thèse est de caractériser les variations climatiques des derniers 200 ka à travers l'étude de quatre spéléothèmes du sud de la France, datés par U-Th. Nous nous sommes focalisés sur l'étude des stades isotopiques marins MIS 6, 5 et 3. Les principaux résultats obtenus sont les suivants : - mise en évidence d'oscillations milléniales au MIS6 entre 175 et 165 ka. L'enregistrement isotopique haute résolution (10 à 300 ans) de la base du plancher stalagmitique de la grotte de Villars indique pour la première fois dans la région ces oscillations climatiques rapides qui peuvent être mises en relation avec des figures similaires récemment mises à jour par les concrétions chinoises. - estimation de l'amplitude du réchauffement associée à l'avant-dernière déglaciation. La confrontation du δ18Oc de la calcite, du δ18O des inclusions fluides et du ∆47 de la calcite suggère que (1) si l'équilibre isotopique a été satisfait, le réchauffement associé à la Terminaison II serait de 20°C, (2) si on considère un effet cinétique alors le réchauffement corrigé de cet effet serait de 14°C. La constance de la composition de l'eau de l'infiltration pendant cette déglaciation s'explique par le jeu des différents facteurs influant sur ce paramètre. - amélioration de la chronologie et de la caractérisation dans le SW de la France des événements climatiques milléniaux de la dernière glaciation (MIS3). L'enregistrement de la stalagmite Vil14 daté par MC-ICP-MS constitue désormais la meilleure chronologie de cette période dans la grotte de Villars et permet d'attribuer un âge précis aux limites des interstades (13, 12 et fin du 14). La fin des interstades identifiés était manifestement associée à un refroidissement abrupt et à l'installation d'un permafrost de courte durée. La cessation de croissance définitive de cet échantillon simultanément aux deux autres confirme le durcissement du refroidissement du MIS3 vers 30ka. En multipliant ce type de données quantifiées et datées de façon absolue, on contribue à la meilleure compréhension des mécanismes climatiques.