Des aspects variés de la modélisation de l'écoulement glaciaire sont abordés. <br />Le modèle de Le Meur et Vincent (2003) est utilisé à plusieurs reprises. Plusieurs améliorations sont effectuées (conservation de la masse, traitement des épaisseurs négatives, traitement de la glace située en amont de la rimaye).<br />Sur le glacier de St. Sorlin (France) une comparaison entre le champ de bilan issu des mesures et celui issu d'un modèle est effectuée. Le comportement du glacier sous un scénario climatique futur est prédit.<br />Une intercomparaison entre différents types de modèles est effectuée avec pour objectif la détermination du type de modèle le plus approprié en fonction du type de glacier. Les modèles testés sont le modèle SIA de Le Meur et Vincent (2003), le modèle SIA et le modèle d'ordre supérieur de Pattyn (2003) et un modèle Full Stokes (Elmer). Des géométries synthétiques sont utilisées ainsi qu'un cas réel. Les tests synthétiques montrent les limites de l'applicabilité de la SIA. Par contre, une comparaison rapide montre le gain considérable en temps CPU. D'un autre côté, l'augmentation du coût en terme de temps CPU ne s'avère pas très importante lors du passage d'un modèle d'ordre supérieur à un modèle Full Stokes.<br />Les simulations effectuées sur le glacier de St. Sorlin donnent un aperçu des limites de la validité de la SIA sur ce glacier. Même si elle reproduit globalement l'évolution observée du glacier, elle ne reproduit pas correctement le champ de vitesse ni certaines structures de la géométrie.<br />Les simulations sont comparées avec les observations pour la position du front et les vitesses de surface. <br />Un dernier chapitre est consacré au glacier Cotopaxi (Andes).

Les Andes de Mérida (Venezuela) est caractérisé par la présence de morphologie glaciaire bien préservée entre 2400-4978 m. Les études de ces morphologies glaciares font la contribution pour mieux comprendre et reconstruire la Dernière Glaciation aux Andes Vénézuéliennes. La reconstruction de la Dernière Glaciation (connue dans la région comme Glaciation Mérida) était limitée par la disponibilité de chronologie glaciaire. Cette thèse fait sa contribution à la reconstruction de la Dernière Glaciation et à la connaissance du paléoclimat depuis le Pléistocène Superieur. La méthodologie a involucré l´analyse géomorphologique et l´étude géochronologique. La morphologie glaciaire a été datée avec la technique de nucléides cosmogéniques produits in-situ (10Be). Cette technique est appropriée pour dater les matériels riches en quartz et la période d´intérêt. Les inférences des conditions paleoclimatiques ont été faites sur la base des analyses de la paléo ELA.Des différentes dynamiques glaciares ont été identifiées aux Andes centrales de Mérida. Dans les vallées de Mucubají et Mucuchache, la dynamique a été caractérisée par plusieurs étapes de avancé-arrêt des glaciaires dans un recul général de la glace. Dans les vallées de Gavidia et Mifafí, la disparition des glaciares a été très rapide avec la vitesse de recul plus haute (entre 4-7 km/ky). Divers caractéristiques morpho métriques comme la pente du fond de la vallée, la topographie de la zone d´accumulation (cirques glaciares avec les murs très incliné), des surfaces de la zone d´accumulation et son orientation ont aussi contrôlé les différents dynamiques glaciares.Les avancées des glaciares ont été identifiées entre 2500-4200 m. Les avancées glaciares pendant le MIS 3 ont été reconnues à Sierra Nevada. Ces avancées ont été liées aux hautes précipitations dans le nord de l´Amérique de Sud produites par l´activité de la Zone de Convergence Intertropical. Ces avancées ont été aussi reliées aux conditions plus chaudes et humides dans l´Hémisphère Nord (aussi ces conditions ont été identifiées aux Andes vénézuéliennes et sont connues comme l´Interstadío El Pedregal). Les avancées glaciares pendant le Dernière Maximum Glaciares ont été enregistrées en Sierra Nevada á Mucubají et Las Tapias entre 3100-3600 m. Principalement, les avancées glaciares MIS 2 sont arrivées pendant l´Oldest Dryas-El Caballo Estadío à 17 ka. Ces avancées glaciares ont été reliées aux températures froides dans l´Hémisphère Nord et les températures plus froides enregistrées dans les carottes de glaciares tropicaux.Mots clésDatation par cosmogéniques produits in-situ, morphologie glaciaire, Pléistocène, Dernière Glaciation, LGM, paléo ELA. / The central Mérida Andes (Venezuela) landscape is characterized by the presence of well-preserved glacial landforms located between 2400 and 4978 m a.s.l. Geomorphological studies of these glacial landforms significantly contribute to the Venezuelan Andes glaciations reconstructions. However, Last Glaciation (locally called Mérida Glaciation) was poorly reconstructed because of limited chronological data. This dissertation attempts to contribute to the Last Glaciation reconstruction and paleoclimate knowledge since the late Pleistocene. Accordance this necessity, the methodology involved geomorphological analysis and geochronological study. Glacial landforms were dated based on the Terrestrial Cosmogenic Nuclide dating (10Be). This method is suitable for date quartz-rich materials and for the period of interest. To deduce paleoclimate conditions an analysis based on paleo ELA was developed.In the central Mérida Andes different Late Pleistocene glacier dynamics were identified. In the Mucubají and the Mucuchache valleys, successive stages of glacier stop-advance were identified during an overall glacier withdrawal. In the Gavidia and Mifafí valleys, glacier withdrawal was rapid with the highest retreat rates (between 4-7 km/ky). Morphometric features as glaciers bottom valley slopes, accumulation zone topography (glaciers cirques with steep walls), areas and orientation controlled different glaciers dynamics.Glacier advances were evidenced between 2500-4200 m. MIS 3 glaciers advances has been recognized in the Sierra Nevada. These were related to the highest runoff in the north of South America produced by the Intertropical Convergence Zone (ITCZ) and the local warm and wet climate conditions (locally named El Pedregal Interstadial). LGM glacier advances were recorded in Sierra Nevada in the Mucubají and Las Tapias between 3100-3600 m. MIS 2 Glaciers advances mainly occurred during the Oldest Dryas- El Caballo Stadial at around 17 ka. These glaciers advances correlate to the cold temperatures in the North Hemisphere and the coldest temperatures recorded in tropical ice cores.KeywordsTerrestrial cosmogenic nuclides dating, TCN, cosmogenic dating, glacial landforms, Andes Mérida, Venezuela. Pleistocene, Last Glaciation, LGM, paleo ELA, tropic paleoclimate.

Agents érosifs parmi les plus efficaces, les glaciers réagissent dynamiquement aux variations climatiques et entraînent à l’aval des modifications importantes des flux de sédiments. Dans les Alpes, et dans le cadre du réchauffement climatique actuel, se pose la question de l’évolution de la charge sédimentaire provenant de bassins versants partiellement englacés. L’export détritique issu d’un tel environnement résulte de processus d’érosion affectant plusieurs domaines géomorphologiques : les parois supra glaciaires, le substratum couvert de glace et la zone pro glaciaire à l’aval du glacier. Aussi, l’intention de ce travail de recherche doctorale est de caractériser l’origine et le transport des sédiments dans les bassins versants de deux torrents issus du glacier des Bossons (massif du Mont-Blanc, France).Dans ce but, les composantes du flux de sédiment issu des domaines supra glaciaire, sous-glaciaire et proglaciaire sont séparées et quantifiées à partir de méthodes innovantes :i. L’utilisation de la concentration en nucléides cosmogéniques comme marqueur du trans-port à la surface du glacier ;ii. L’analyse combinée de données météorologiques et de mesures hydro-sédimentaire à haute résolution temporelle (2 min) complétées par des modèles linéaires multivariés ;iii. La mise en oeuvre d’une méthode probabiliste adjointe à une application à l’échelle pluri-annuelle de l’estimation des flux sédimentaires par source ;iv. Le traçage radio-fréquence de particules grossières dans la zone pro glaciaire associé à une analyse dans le cadre d’un modèle de transport stochastique.A travers des outils numériques, l’application des méthodologies présentées apporte une estimation des taux d’érosion des domaines supra glaciaire, sous-glaciaire et pro glaciaire, et contraint le transfert des sédiments dans le bassin versant.Ainsi, dans la partie terminale du glacier, 52±14 à 9±4% de la charge supra glaciaire est transférée vers le réseau de drainage sous-glaciaire. Par ailleurs, l’évolution de ce dernier au cours de la saison de fonte entraîne sur une courte période l’export de la production sédimentaire hivernale. De plus, la configuration du drainage sous le glacier et sa dynamique de retrait contrôlent la remobilisation d’un stock sédimentaire sous-glaciaire plus ancien. Ces processus expliquent le contraste entre les taux moyens d’érosion sous-glaciaire des deux torrents instrumentés, respectivement 0.63 ± 0.37 et 0.38 ± 0.22 mm/an . Ces valeurs sont inférieures à la création topographique tectonique, ∼1.5 mm/an , et du même ordre de grandeur que le taux moyen d’érosion des parois surplombants le glacier, évalué à 0.76 ± 0.34 mm/an.A l’aval du glacier, les versants ne sont pas efficacement connectés au torrent proglaciaire et le glacier reste la source principale de l’export sédimentaire. Ainsi, en l’absence d’événements extrêmes, l’apport du domaine pro glaciaire correspond à 13 ± 10% de l’export sédimentaire total du bassin versant. Par ailleurs, la zone proglaciaire agit comme un tampon sédimentaire fonctionnant d’une échelle quotidienne à annuelle pour les silts et les sables, et à une échelle décennale pour les particules plus grossières. Au total, malgré un retrait glaciaire récent et rapide, le bassin versant du glacier des Bossons présente actuellement une dynamique paraglaciaire limitée dont l’intensité correspond à un taux moyen d’érosion proglaciaire de 0.25±0.20 mm/an. Enfin, sur l’ensemble du bassin versant, la dynamique sédimentaire est multi-fréquentielle et amortie par des stockages intermédiaires. / Among the most efficient agents of erosion, glaciers react dynamically to climate change, leading to a significant adjustment of downstream sediment flux. Present-day global warming raises the question regarding the evolution of the sediment load originating from partially glaciated catchment. The detrital export from such environment results from erosion processes operating within distinct geomorphological domains : supraglacial rockwalls, ice-covered substratum and the proglacial area, downstream from the glacier. The general intent of this doctoral research is therefore to characterize the origin and transport of sediments in the watersheds of two streams draining Bossons glacier (Mont-Blanc massif, France).For this purpose, the components of the sediment flux coming from supraglacial, subglacial and proglacial domains are separated and quantified by innovating methods:i. Using the terrestrial cosmogenic nuclides concentrations as evidence of a supraglacialtransport;ii. Combining meteorological data and hydro-sedimentary data acquired at a high timeresolution (2 min) and completed by multi-linear models;iii. Estimating sediment flux by source for 7 years and with a probabilistic method;iv. Associating radio-frequency identification of pebbles in the proglacial area with a stochas-tic transport analysis.Through numerical tools, applying the presented methodologies provides erosion rates of thesupraglacial, subglacial and proglacial domains, and determines the sediment transfer mecha-nisms within the catchment.Thus in the terminal part of the glacier, 52±14 to 9±4% of the supraglacial load is transferred to the subglacial drainage network. Moreover, its evolution throughout the melt season leads to the export of the winter sediment production during a limited period. Furthermore, the drainage configuration beneath the glacier and its retreat control the remobilization of a long-term sediment stock. These processes explain the contrast between the mean subglacial erosion rates of the two monitored streams, 0.63 ± 0.37 et 0.38 ± 0.22 mm/yr, respectively. This values are lower than the tectonic uplift, ∼1.5 mm/an, and of the same order of magnitude than the mean erosion rate of supraglacial rockwalls, evaluated at 0.76 ± 0.34 mm/an.Downstream from the glacier, hillslopes are not efficiently connected to the proglacial stream and the glacier is the main source of the sediment export. Hence, without extreme events, the input from proglacial domain corresponds to 13 ± 10% of the total sediment export from the catchment. Besides, the proglacial area acts as a buffer functioning from the daily to the year scales for fine particles, and at a decennial scale for coarser particles. In total, despite the rapid recent retreat of the glacier, the Bossons catchment exhibits a limited paraglacialdynamic whose intensity corresponds to a mean proglacial erosion rate of 0.25±0.20 mm/an. Finally, at the catchment scale, the sediment dynamic is multi-frequential and buffered by storage and release mechanisms.

Ma thèse se focalise sur l'étude des mécanismes qui ont conduit au soulèvement et à la construction du relief dans les Andes du Nord du Pérou. Dans cette région, la Cordillère Blanche forme les plus hauts sommets péruviens (> 6000 m) et constitue une anomalie à l'échelle des Andes. La morphologie de cette région des Andes est marquée par un pluton de forme atypique, allongé et à l'affleurement sur plus de 150 km. Ce pluton est bordé par une faille normale de plus de 200 km de long. La présence de cette faille normale majeure en contexte de subduction plane reste surprenante car ces zones de subduction planes semblent induire une augmentation du raccourcissement dans la plaque chevauchante. Mon travail a eu pour objectifs de caractériser les variations de l'état de contraintes régional, l'âge du soulèvement et de discuter les processus géodynamiques qui ont contribué à la formation du relief. Dans ce cadre, j'ai utilisé une approche pluridisciplinaire impliquant sur plusieurs échelles spatio-temporelles et comprenant à la fois de nouvelles données de terrain, leur analyse et leur modélisation.Mes données de microtectonique indiquent qu'il est possible de générer de l'extension au dessus d'une subduction plane à l'échelle régionale. Ces données sont en contradiction avec l'augmentation du raccourcissement classiquement attendue dans la plaque chevauchante. Mes nouvelles données de thermochronologie basse température et leur modélisation montrent une augmentation de l'exhumation induite par le soulèvement de la Cordillère Occidentale à 15 Ma. En les confrontant aux modèles précédents, je propose un soulèvement régional lié à l'aplatissement de la subduction et à la topographie dynamique associée.J'ai également étudié l'impact de l'arc Miocène sur le soulèvement à une échelle plus locale. Pour cela, j'ai compilé tous les âges de refroidissement du pluton disponibles dans la littérature. En parallèle, j'ai obtenu les premières données de profondeur de mise en place du batholite de la Cordillère Blanche. Cela m'a permis de proposer une structure du batholite en sills empilés puis basculés vers l'est. De plus, la modélisation des variations spatio-temporelle des taux d'érosion à partir des données de thermochronologie basse température indique une augmentation importante des taux d'érosion dans la Cordillère Blanche à partir de 2 Ma. L'arc Miocène ne semble donc pas contribuer significativement au soulèvement malgré sa probable contribution à l'épaississement de la lithosphère. En revanche, l'érosion glaciaire récente semble contribuer fortement à l'exhumation de la Cordillère Blanche et au basculement du batholite.Dans la dernière partie de ma thèse, pour quantifier l'importance de l'érosion dans la création du relief et le soulèvement, j'ai modélisé l'évolution du paysage de la région (FastScape). Mes modélisations numériques démontrent le rôle majeur de l'érosion et du rebond flexural associé dans la création du relief et les taux de soulèvement. Pour finir, basée sur les données de la littérature et celles apportées par mon travail de thèse, je propose un nouveau modèle pour expliquer la faille normale de la Cordillère Blanche dans son contexte régional. Ce modèle implique une faille normale d'extrado et l'érosion importante du mur de la faille. / My thesis focuses on the mechanisms that controlled the uplift and construction of the relief in the northern Peruvian Andes. In this area, the Cordillera Blanca forms the highest peaks in Peru (> 6000 m), which is a topographic anomaly across the Andes. The morphology of the Cordillera Blanca is marked by an elongated pluton, which outcrops over 150 km. In addition, this pluton is bordered by the largest normal fault from South America. The presence of this major normal fault in a flat-slab context remains surprising because flat slabs usually induce an increase of the shortening in the overriding plate. The aim of my work is to characterize the variations of the regional stress field, the age of the uplift and discuss the geodynamic processes that contributed to relief building. To address these issues, I used a multidisciplinary approach involving new field data, their analysis and modeling.My microtectonic dataset reveals regional extension above the Peruvian flat-slab. This data contradicts the expected increase of shortening in the overriding plate. Modeling my new thermochronologic data shows an increase in the exhumation rates induced by the uplift of the Cordillera Occidental since 15 Ma. I propose that the regional uplift relates to the flattening of the subduction and associated dynamic topography.To address the impact of the Miocene arc on the uplift at a more local scale, I compiled the cooling ages of the pluton available in the literature. In parallel, I obtained the first amphibole thermo-barometry data that constrains emplacement depth of the Cordillera Blanca batholith. Following these data, I propose that the batholith is structured in eastward-tilted sills. In addition, modeling of the space and time variations of erosion rates based on the inversion of thermochronologic data indicates that erosion rates significantly increased in the Cordillera Blanca since 2 Ma. The Miocene arc seems to insignificantly contribute to the local uplift despite its contribution to the thickening of the lithosphere. Thus, I suggest that the recent glacial erosion contributes to the exhumation of the Cordillera Blanca and subsequent tilting of the batholith.Then, I modeled the landscape evolution for the Cordillera Blanca region to quantify the contribution of erosion in the relief building and the uplift. My numerical models (FastScape) evidence the importance of erosion and associated flexural rebound in fostering relief building and the uplift rates.Finally, based on all available data, I propose a new regional model to explain the Cordillera Blanca normal fault. This model implies an extrado normal fault and erosion of the footwall.

Afin de mieux comprendre la sensibilité du continent européen aux changements climatiques, le potentiel des tétraéthers de glycérol ramifiés (ou « méthylés »), supports de nouveaux indicateurs de température et du pH des sols, a été étudié dans 2 archives sédimentaires. Ces 2 carottes de sédiments marins prélevées à l’embouchure de grands fleuves (Danube et paléo fleuve Manche) de part et d’autre de l’ancienne calotte glaciaire fennoscandinave, offrent l’opportunité d’obtenir des enregistrements contenant une information intégrée à l’échelle de vastes bassins versants depuis le dernier cycle glaciaire. Des reconstitutions continues des températures glaciaires obtenues à partir de l’analyse des tétraéthers ramifiés dans ces carottes sont présentées. Ces enregistrements sont interprétés avec précaution du fait de la relative méconnaissance des organismes producteurs des tétraéthers ramifiés et leur possible production en milieu aquatique. La haute résolution temporelle des reconstitutions permet toutefois de mieux comprendre la variabilité climatique abrupte de la dernière période glaciaire, de part l’estimation des températures associées aux évènements de Heinrich et cycles de Dansgaard-Oeschger, notamment par une estimation quantitative en Europe centrale-est. De plus, l’apport des tétraéthers à la reconstitution du pH des paléosols de cette partie du continent est étudié. Par ailleurs, une méthode automatisée de purification des échantillons, préalable à l’analyse des tétraéthers par HPLC-MS a été mise au point, afin de faciliter le travail préparatoire et promouvoir l’analyse de paléo séquences à haute résolution temporelle utilisant les tétraéthers. / In order to better understand the sensibility of the European continent to climate changes, the potential of branched tetraether lipids, as bases of temperature and soil pH proxies, has been studied in two sedimentary archives. These two marine sediment cores have been chosen for their location at the mouth of major rivers (Danube and paleo Channel river) on both sides of the ancient Fennoscandian ice sheet. Indeed, they enable to get records containing information integrated at large drainage basin scale, since the last glacial cycle. Thus, continuous temperature reconstructions of the last glacial period in Europe, based on branched tetraethers extracted from these cores, are presented. These records are carefully interpreted, notably because of the uncertainties on the tetraether producers and their likely production in the aquatic environment. The high temporal resolution of the reconstruction however enables insights into the last glacial abrupt climate variability, with temperature estimates of Heinrich events and Dansgaard-Oeschger cycles, and especially, quantitative estimations in central eastern Europe. Moreover, the reconstruction of past soil pH in this part of the continent is investigated. Last, an automated purification method for archaeal and bacterial tetraethers in soils and sediments has been developed in order to contribute to enhancing the time resolution of paleosequences based on tetraether biomarkers.

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L’environnement périglaciaire en général et les régions de permafrost en particulier, connus pour être très sensibles au changement climatique actuel, sont le sujet de beaucoup d’études sur les émissions de gaz à effet de serre. En effet, le dégel de ces milieux engendre la mobilisation d’une quantité importante de matière organique, précédemment piégée par le froid, favorisant les émissions de dioxyde de carbone et/ou de méthane. L’objectif premier, du présent travail, est de contribuer à l’étude des gaz enfermés dans certains types de glace de ces régions afin de mieux quantifier leur impact potentiel sur le climat.<p>Dans un premier temps, une analyse multiparamétrique a été menée sur deux coins de glace du nord de la Sibérie dans la cadre d’une collaboration avec l’Alfred Wegener Institut (Allemagne). Cette première approche a révélé que l’analyse conjointe de la cristallographie, de l’orientation des axes optiques, du contenu en gaz total et de la composition en gaz des coins de glace est un outil puissant, complémentaire aux analyses des isotopes stables, pour comprendre les conditions paléo-climatiques qui ont régi la construction des coins de glace. Cette étude soutient également l’hypothèse de variations spatiales importantes de l’origine des masses d’air durant les variations climatiques du Pléistocène.<p>Dans un deuxième temps, une analyse des caractéristiques de la glace annuelle de 4 lacs du nord de la Suède a été réalisée afin d’étudier le rôle de la couverture de glace sur les émissions de gaz à effet de serre. En effet, les lacs de ces régions contribuent fortement aux émissions de méthane durant la période d’eau libre et très peu d’études ont analysé la quantité de méthane emprisonnée dans la glace hivernale et relâchée au printemps. Ce projet nous a amené à établir une nouvelle classification des bulles dans la glace de lac basée sur leur contenu en méthane, leur origine, leur forme et leur densité. Il nous a également permis de montrer que plusieurs facteurs interviennent sur le contenu en gaz dans la couverture de glace :le système hydrologique, la variation de la pression atmosphérique, la variabilité des émissions et potentiellement la proximité des sédiments sont autant de facteurs qui déterminent le contenu en gaz. L’analyse de la composition des gaz a révélé que la composition observée dans la glace est sensiblement différente de celle observée durant les périodes d’eau libre. Nous avons également, pour la première fois, établit un budget des émissions de méthane relâchées par la fonte de la couverture de glace au niveau mondial.<p>Cette étude a été complétée par l’analyse des isotopes 13C des gaz des différents types de bulles de notre classification en collaboration avec l’Université d’Utrecht. Nous avons alors mis en évidence que la couverture de glace influence l’équilibre biogéochimique dans l’eau en favorisant l’oxydation du méthane en dioxyde de carbone.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'objectif principal de cette thèse était de reconstituer l'évolution de la circulation intermédiaire depuis la dernière période glaciaire à partir de carottes de sédiments marins prélevées dans le golfe du Bengale GB, la Mer d’Arabie MA et l’océan Indien équatorial oriental OIEO. La stratégie scientifique mise en œuvre inclut l’étude des assemblages et de la géochimie des foraminifères benthiques, afin de reconstruire les changements de source et de ventilation des masses d’eau. Les résultats obtenus dans le GB ont permis de restituer les changements hydrologiques à profondeur intermédiaire à haute résolution temporelle au cours des derniers 40 ka. Les enregistrements témoignent de changements dans la source des masses d’eau, entre l’Océan austral avec les eaux antarctiques intermédiaires AAIW et les eaux Nord Atlantique NADW, à l’échelle glaciaire-interglaciaire mais aussi lors des événements millénaires. Ce travail a aussi permis de fournir les premiers enregistrements à haute résolution temporelle des rapports élémentaires des foraminifères benthiques (Mg/Ca, Sr/Ca, U/Ca et Li/Ca) dans le GB et en MA. Ces résultats permettent notamment de mieux contraindre la pénétration des AAIW vers le nord depuis la dernière période glaciaire. La reconstruction de la concentration en ion carbonate permet également de discuter des relations entre les variations de la circulation intermédiaire et les changements profonds du cycle du Carbone à l’échelle globale, notamment via les échanges se produisant dans l’Océan Austral. Nous avons également fourni dans ce travail les premiers enregistrements de Cd/Ca et de Ba/Ca continus et à haute résolution dans le nord de l’océan Indien, pour reconstituer les modifications passées de la teneur en éléments nutritifs. Les enregistrements géochimiques dans l’OIEO témoignent de profonds changements des propriétés des masses d'eau intermédiaires, associées aux changements de circulation. / The main objective of this study was to reconstruct the evolution of the intermediate water circulation since the last glacial period by the investigation of marine cores collected from the Bay of Bengal (BoB), Arabian Sea (AS) and Eastern Equatorial Indian Ocean (EEIO). The scientific strategy involves benthic foraminiferal assemblages and geochemical proxies to better constrain past changes in the source and ventilation of water masses. Records from the BoB allowed reconstructing hydrological changes at intermediate depth over the last 40 cal kyr. The records highlight changes in the source of water masses, with a balance between the contribution of southern Antarctic Intermediate Water (AAIW) versus North Atlantic Deep Water (NADW) at glacial-interglacial timescale as well as during millennial events. This work also provided the first high-resolution benthic foraminifera elemental ratio records (Mg/Ca, Sr/Ca, U/Ca and Li/Ca) from the BoB and the AS. These records especially help to better constrain the northward penetration of AAIW over the last glacial period. The reconstruction of the carbonate ion concentration allowed to discuss the relationships between the intermediate water circulation and deep changes in the global Carbon cycle, with a special interest for the Southern Ocean. This work also provides the first continuous and high-resolution benthic Cd/Ca and Ba/Ca records in the northern Indian Ocean, could reconstruct past changes in the nutrient content. Geochemical records from the EEIO exhibit strong changes in the chemical properties of the intermediate water masses, related to global circulation changes in the area.

Pendant les transitions glaciaire-interglaciaires,on observe une augmentation en partie abrupte de près de 100 ppm du CO2atmosphérique, indiquant une redistribution majeure entre les réservoirs de carbone des continents, de l'océan et de l'atmosphère.Expliquer les flux de carbone associés à ces transitions est un défi scientifique, qui nécessite une meilleure compréhension du stock de carbone ‘initial’ dans la biosphère terrestre au cours de la période glaciaire. L’objectif de cette thèse est d’améliorer la compréhension du fonctionnement des écosystèmes terrestres et des stocks de carbone au cours du dernier maximum glaciaire (LGM, il y a environ21.000 ans), à travers plusieurs nouveaux développements dans le modèle global de végétation ORCHIDEE-MICT, pour améliorer la représentation de la dynamique de la végétation, la dynamique du carbone dans le sol du pergélisol et les interactions entre les grands herbivores et la végétation dans le modèle de la surface terrestre.Pour la première partie, la représentation de la dynamique de la végétation dans ORCHIDEEMICT pour les régions des moyennes et hautes latitudes, a été calibrée et évaluée avec un ensemble de données spatiales de classes de végétation, production primaire brute, et de biomasse forestière pour la période actuelle.Des améliorations sont obtenues avec la nouvelle version du modèle dans la distribution des groupes fonctionnels de végétation. Ce modèle a ensuite été appliqué pour simuler la distribution de la végétation au cours de laLGM, montrant un accord général avec les reconstructions ponctuelles basées sur des données de pollen et de macro-fossiles de plantes.Une partie du pergélisol (sols gelés en permanence) contient des sédiments épais,riches en glace et en matières organiques appelés Yedoma, qui contiennent de grandes quantités de carbone organique, et sont des reliques des stocks de carbone du Pléistocène.Ces sédiments ont été accumulés sous des climats glaciaires. Afin de simuler l'accumulation du carbone dans les dépôts de Yedoma, j’ai proposé une nouvelle paramétrisation de la sédimentation verticale dans le module de carbone dans le sol de ORCHIDEE-MICT. L'inclusion de ce processus a permis de reproduire la distribution verticale de carbone observée sur des sites de Yedoma. Une première estimation du stock de carbone dans le pergélisol au cours du LGM est obtenue, de l’ordre de ~ 1550 PgC, dont 390 ~446 PgC sous forme de Yedoma encore intacts aujourd’hui (1,3 millions de km2).Potentiellement, une plus grande surface de Yedoma pourrait être présente pendant leLGM, qui a disparue lors de la déglaciation.Pour la troisième partie, à la lumière des impacts écologiques des grands animaux, et le rôle potentiel des méga-herbivores comme une force qui a maintenu les écosystèmes steppiques pendant les périodes glaciaires, j'ai incorporé un modèle de d’herbivores dans ORCHIDEE-MICT, basé sur des équations physiologiques pour l'apport énergétique et les dépenses, le taux de natalité, et le taux de mortalité pour les grands herbivores sauvages.Le modèle a montré des résultats raisonnables de biomasse des grands herbivores en comparaison avec des observations disponibles aujourd’hui sur des réserves naturelles. Nous avons simulé un biome de prairies très étendu pendant le LGM avec une densité importante de grands herbivores. Les effets des grands herbivores sur la végétation et le cycle du carbone du LGM ont été discutés, y compris la réduction de la couverture forestière, et la plus grande productivité des prairies.Enfin, j’ai réalisé une estimation préliminaire du stock total de carbone dans le permafrost pendant le LGM, après avoir tenu compte des effets des grands herbivores et en faisant une extrapolation de l'étendue spatiale des sédiments de type Yedoma basée sur des analogues climatiques et topographiques qui sont similaires à la région de Yedoma actuelle. / During the repeated glacialinterglacialtransitions, there has been aconsistent and partly abrupt increase of nearly100 ppm in atmospheric CO2, indicating majorredistributions among the carbon reservoirs ofland, ocean and atmosphere. A comprehensiveexplanation of the carbon fluxes associatedwith the transitions is still missing, requiring abetter understanding of the potential carbonstock in terrestrial biosphere during the glacialperiod. In this thesis, I aimed to improve theunderstanding of terrestrial carbon stocks andcarbon cycle during the Last Glacial Maximum(LGM, about 21,000 years ago), through aseries of model developments to improve therepresentation of vegetation dynamics,permafrost soil carbon dynamics, andinteractions between large herbivores andvegetation in the ORCHIDEE-MICT landsurface model.For the first part, I improved theparameterization of vegetation dynamics inORCHIDEE-MICT for the northern mid- tohigh-latitude regions, which was evaluatedagainst present-day observation-based datasetsof land cover, gross primary production, andforest biomass. Significant improvements wereshown for the new model version in thedistribution of plant functional types (PFTs),including a more realistic simulation of thenorthern tree limit and of the distribution ofevergreen and deciduous conifers in the borealzone. The revised model was then applied tosimulate vegetation distribution during theLGM, showing a general agreement with thepoint-scale reconstructions based on pollen andplant macrofossil data.Among permafrost (perennially frozen) soils,the thick, ice-rich and organic-rich siltysediments called yedoma deposits hold largequantities of organic carbon, which areremnants of late-Pleistocene carbonaccumulated under glacial climates. In order tosimulate the buildup of the thick frozen carbonin yedoma deposits, I implemented asedimentation parameterization in the soilcarbon module of ORCHIDEE-MICT. Theinclusion of sedimentation allowed the modelto reproduce the vertical distribution of carbonobserved at the yedoma sites, leading toseveral-fold increase in total carbon. Simulatedpermafrost soil carbon stock during the LGMwas ~1550 PgC, among which 390~446 PgCwithin today’s known yedoma region (1.3million km2). This result was still anunderestimation since the potentially largerarea of yedoma during the LGM than todaywas not yet taken into account.For the third part, in light of the growingevidence on the ecological impacts of largeanimals, and the potential role of megaherbivoresas a driving force that maintainedthe steppe ecosystems during the glacialperiods, I incorporated a dynamic grazingmodel in ORCHIDEE-MICT, based onphysiological equations for energy intake andexpenditure, reproduction rate, and mortalityrate for wild large grazers. The model showedreasonable results of today’s grazer biomasscompared to empirical data in protected areas,and was able to produce an extensive biomewith a dominant vegetation of grass and asubstantial distribution of large grazers duringthe LGM. The effects of large grazers onvegetation and carbon cycle were discussed,including reducing tree cover, enhancinggrassland productivity, and increasing theturnover rate of vegetation living biomass.Lastly, I presented a preliminary estimation ofpotential LGM permafrost carbon stock, afteraccounting for the effects of large grazers, aswell as extrapolations for the spatial extent ofyedoma-like thick sediments based on climaticand topographic features that are similar to theknown yedoma region. Since these results werederived under LGM climate and constantsedimentation rate, a more realistic simulationwould need to consider transient climate duringthe last glacial period and sedimentation ratevariations in the next step.

La variabilité du système climatique influence la productivité et la distribution des espèces marines sur toutes les échelles de temps, de la variabilité saisonnière et inter-annuelle aux cycles glaciaires-interglaciaires. Mais ces liens entre climat et écosystèmes marins sont encore largement méconnus, de telle sorte que les prévisions des changements à venir sont difficiles. De plus, parce que les indicateurs paléoclimatiques issus des archives marines sont souvent liés au fonctionnement de l’écosystème, cette méconnaissance limite la fiabilité de la reconstruction de la variabilité climatique passée.Ce travail de thèse vise à améliorer notre connaissance de ces liens entre climat et écosystèmes marins : nous nous sommes intéressés aux changements de productivité marine au cours du dernier cycle glaciaire-interglaciaire, et nous nous sommes aussi penchés sur la réponse de l’écosystème, incluant l'ensemble des niveaux de la chaine trophique, à la variabilité inter-annuelle à décennale en climat pré-industriel. Ce travail est basé sur l’utilisation d’un modèle climatique (IPSL-CM), d’un modèle de biogéochimie marine (PISCES) et d’un modèle de niveaux trophiques supérieurs (APECOSM).Dans un premier temps, nous montrons que le lien entre l’intensité de la mousson indienne et la productivité primaire marine, en été boréal dans la mer d’Arabie, n’est pas direct. En effet, il apparait indispensable pour comprendre les changements de productivité de considérer, en plus de l'intensité de la mousson, la structure de la mousson. En particulier, la position du Jet de Findlater par rapport à la côte de la péninsule arabique est un paramètre important puisqu'elle conditionne la dynamique d'Ekman dans la région.Dans un second temps, nous avons étudié les variations de la productivité marine au large de l'embouchure du fleuve Congo et leurs liens avec le fleuve et les changements de dynamique atmosphérique africaine. Ce travail a mis en évidence que la relation entre l'intensité de la mousson et l'intensité des alizés, souvent utilisée dans les reconstructions climatiques, n'est pas toujours vérifiée. Selon le climat étudié, l'importance des effets thermiques ou dynamiques sur les changements de précipitations et de vents simulés est différente.Dans un troisième temps, nous avons étudié l'effet de la variabilité inter-annuelle sur les changements de productivité passés et sur le signal climatique potentiellement enregistré par des indicateurs climatiques biologiques.Enfin, la dernière partie de cette thèse se focalise sur la réponse des organismes marins des haut-niveaux trophiques à la variabilité climatique à différentes fréquences. Ce travail a révélé que les organismes marins répondent de façons différentes aux variations environnementales en fonction de leur taille et de leur habitat. / Climate variability influences marine primary productivity and marine species distribution over all timescales, from seasonal to interannual variability and glacial-interglacial cycles. The links between climate and marine ecosystems are still sparsely known so that the predictions of futur changes are difficult. Moreover, because paleoclimate recorders extracted from marine archives are often linked to the functionning of the ecosystem, this lack of knowledge limits our ability to reconstruct past climate variability.This thesis work aims at improving our knowledge of these links between climate and marine ecosystems : we have looked into marine productivity changes during the last glacial-interglacial cycle, but we also examined the "end-to-end" ecosystem response to inter-annual to decadal variability in a pre-industrial climate. This work uses a climate model (IPSL-CM), a bio-geochemical model (PISCES) and a model of high trophic levels (APECOSM).First, we show that the link between Indian summer monsoon intensity and marine primary productivity in the Arabian Sea is indirect. Indeed, it appears necessary to consider the monsoon pattern, such as the Findlater Jet position, which drives the Ekman dynamics in the region, as well as its intensity to understand the productivity changes.Second, we study the marine productivity changes off the Congo river mouth and their links with the river runoff and the African atmospheric dynamics. This work shows that the relationship between monsoon intensity and trade winds intensity, often used to reconstruct past changes, is not always verified. Depending on the climate, thermal or dynamical effects are more or less prominent drivers of the simulated changes in precipitation and winds. Productivity off the Congo river mouth, which is mainly located in the subsurface, seems more affected by the ocean and atmosphere dynamics than by the river supply in nutrients.Third, we study the inter-annual variability effects over past productivity changes and over the climatic signal potentially recorded in the biological climate proxies.Finally, the last part of the thesis focuses on high trophic levels marine organisms response to climate variability at different frequencies. This study shows that marine organisms response to environmental changes varies with the organism' size and habitat.